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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE – UFCG CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA – CCT PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA CARACTERIZAÇÃO DE UM ELETROLISADOR BIPOLAR PARA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO VISANDO O USO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO FONTE DE ENERGIA JOÃO SALES DE SOUZA FILHO CAMPINA GRANDE – PB AGOSTO DE 2008

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE – UFCG

CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA – CCT

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

CARACTERIZAÇÃO DE UM ELETROLISADOR BIPOLAR PARA PRODUÇÃO

DE HIDROGÊNIO VISANDO O USO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO

FONTE DE ENERGIA

JOÃO SALES DE SOUZA FILHO

CAMPINA GRANDE – PB

AGOSTO DE 2008

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CARACTERIZAÇÃO DE UM ELETROLISADOR BIPOLAR PARA PRODUÇÃO

DE HIDROGÊNIO VISANDO O USO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO

FONTE DE ENERGIA

JOÃO SALES DE SOUZA FILHO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós

Graduação em Engenharia Química da Universidade

Federal de Campina Grande, em cumprimento às

exigências para obtenção do Grau de Mestre.

Área de Concentração: Desenvolvimento Processos Químicos.

Orientadores: Prof. Dr. Hervé Michel Laborde e o Prof. Kepler Borges França (Ph.D)

CAMPINA GRANDE – PB

AGOSTO DE 2008

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG S729c

2008 Souza Filho, João Sales. Caracterização de um eletrolisador bipolar para produção de hidrogênio

visando o uso de painéis fotovoltaicos como fonte de energia / João Sales de Souza Filho. ─ Campina Grande, 2008.

96f. : il. Color.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia.

Referências. Orientadores: Dr. Hervé Michel Laborde e Dr. Kepler Borges França

(Ph.D).

1. Hidrogênio. 2. Eletrolisador. 3. Energia Solar. I. Título.

CDU – 661.96(043)

CARACTERIZAÇÃO DE UM ELETROLISADOR BIPOLAR PARA PRODUÇÃO

DE HIDROGÊNIO VISANDO O USO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO

FONTE DE ENERGIA

JOÃO SALES DE SOUZA FILHO

DISSERTAÇÃO APROVADA EM :______________________________

BANCA EXAMINADORA

_____________________________

Prof. Dr. Hervé Michel Laborde

Orientador

_____________________________

Prof. Kepler Borges França (Ph.D)

Orientador

_____________________________

Prof. Dr. José Jailson Nicácio Alves

Examinador

_____________________________

Prof. Dr. Vimário Simões Silva

Examinador (Externo)

CAMPINA GRANDE – PB

AGOSTO DE 2008

DEDICATÓRIA

“Dedico esta dissertação a minha querida mãe Zulmira de Andrade Sales, que ao longo da vida se mostrou ser uma grande mulher, sabendo sempre orientar e mostrar os caminhos que os seus três filhos devem sempre trilhar para conquistar um espaço entre os homens, caminhos estes que foram trilhados com honestidade, caráter, humildade e muita força de

vontade. Serei sempre grato e te amarei por toda minha vida minha querida mãe”

AGRADECIMENTOS

A Deus por mais uma conquista de vida.

Ao professor Kepler Borges França, pela orientação, paciência no desenvolvimento

deste trabalho e apoio por meus 5 anos de atividades no LABDES.

Ao professor Hervé Michel Laborde, pela orientação, apoio, paciência e incentivo

durante os 5 anos de orientação (Julho de 2003 a Julho de 2008) nas minhas atividades

acadêmicas: (3 anos como orientador do PIBIC, orientador na Monografia de curso e 2

anos como orientador no Mestrado).

Aos meus amigos Sérgio Gusmão e Jorge pela colaboração e sugestões nos

equipamentos necessários para prática experimental.

A todos os alunos e servidores que fazem parte do LABDES.

A coordenação da Pós Graduação em Eng. Química, o professor Luis e Maricé P. da

Silva, pelo apoio e dedicação aos alunos da Pós Graduação.

A CAPES pelo apoio financeiro.

Aos meus pais, irmãos e sobrinhos por imenso apoio e carinho.

A minha querida noiva, Vibérica G. Costa que sempre passou o seu apoio, paciência

e orientação em todos os momentos.

RESUMO

CARACTERIZAÇÃO DE UM ELETROLISADOR BIPOLAR PARA PRODUÇÃO

DE HIDROGÊNIO VISANDO O USO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO

FONTE DE ENERGIA

João Sales de Souza Filho

O hidrogênio surgiu como uma fonte de energia renovável não poluente, que possivelmente

substituirá os combustíveis fósseis. Nesse sentido, este trabalho visa estudar o desempenho

de um eletrolisador bipolar para produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água,

fazendo uso da energia elétrica convencional e energia solar fotovoltaica. O eletrolisador é

constituído de 47 células, usando como eletrólito uma solução de KOH, e foi testado

inicialmente com a energia elétrica convencional. Observou-se que o sistema teve seu

funcionamento ótimo com uma corrente de 42,5 A, e uma tensão de 96,6 V. Isto

corresponde a uma potência de 4,10 kW e uma vazão de 0,763 m3/h de hidrogênio. A

energia consumida é de 5,37 kWh/m3 de hidrogênio, o que necessitaria de um sistema de

energia com 64 painéis que forneceria uma vazão máxima de 0,012 m3/h de hidrogênio por

painel. Também foram realizados experimentos com diversas configurações de painéis

fotovoltaicos para avaliar o desempenho do eletrolisador. Com 6 painéis conectados em

série, a mínima produção de hidrogênio foi obtida com uma tensão de 82,8 V e uma

corrente de 1,1 A. Uma máxima produção de hidrogênio de 0,068 m3/h é obtida com uma

configuração de 15 painéis solares em série, gerando uma tensão de 90,0 V e uma corrente

de 4,49 A.

Palavras-chave: Hidrogênio, Eletrolisador e Energia Solar.

ABSTRACT

CHARACTERIZATION OF A BIPOLAR ELECTROLYSER FOR THE

HYDROGEN PRODUCTION USING PHOTOVOLTAIC PANELS AS ENERGY

SOURCE

João Sales de Souza Filho

Hydrogen emerges as a clean renewable energy source that will replace fossil fuels. In this

way, this work studies the performance of a bipolar electrolyser to produce hydrogen from

the water electrolysis, using conventional electricity and photovoltaic solar energy. The

electrolyser is constituted of 47 cells working with a KOH solution electrolyte. First, the

electrolyser was tested with conventional electricity and showed its best production at a

current of 42.5 A and a tension of 96.6 V. This corresponds to a power of 4.10 kW with a

hydrogen flow rate of 0.763 m3/h, meaning a energy consumption of 5.67 kWh/m3 which

would need 64 photovoltaic panels at a maximum flow rate of 0.012 m3/h.panel. In the

second part, the electrolyser is tested with several configurations of photovoltaic panels.

With 6 panels connected in series, a minimum hydrogen production is obtained with a

tension of 82.8 V and a current of 1,1 A. A maximum hydrogen production of 0,068 m3/h is

reached with a solar configuration of 15 panels in series, giving a tension of 90.0 V and a

current of 4.49 A.

Keywords: Hydrogen, Water Electrolyser, Solar energy.

i

SUMÁRIO

SUMÁRIO ..................................................................................................................... i

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... iii

LISTA DE TABELA..................................................................................................... vi

LISTA DE QUADRO.....................................................................................................viii

LISTA DE FOTO............................................................................................................viii

SIMBOLOGIA................................................................................................................ix

1 – INTRODUÇÃO....................................................................................................... 01

1.1 – Objetivo Geral.........................................................................................................02

1.2 – Objetivos Específicos..............................................................................................02

2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................................................. 03

2.1 – Hidrogênio ............................................................................................................. 03

2.2 – Perspectiva Energética do Hidrogênio ................................................................... 04

2.3 – Aplicações do Hidrogênio como Combustível........................................................09

2.4 – Produção do Hidrogênio: Eletrólise da Água ........................................................ 11

2.5 – Tipos de Eletrolisador ............................................................................................ 12

2.6 – Reações na Eletrólise da Água............................................................................... 12

2.7 – Processos Eletrolíticos.............................................................................................13

2.8 – Tensão na Célula Eletrolítica ................................................................................. 14

2.9 – Energia Solar.......................................................................................................... 15

2.10 – Painéis Fotovoltaicos.............................................................................................16

3 – EXPERIMENTAL .................................................................................................. 19

3.1 – Material utilizado ................................................................................................... 19

3.1.1 – Material ............................................................................................................... 19

3.1.2 – Produtos Químicos .............................................................................................. 19

3.1.3 – Sistema Eletrolítico ( Eletrolisador Bipolar ).......................................................20

ii

3.2 – Processo Experimental para Determinar o Fluxo do Gás ...................................... 22

3.2.1 – Configurações dos Painéis .................................................................................. 23

3.2.2 – Metodologia..........................................................................................................24

4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES .......................................................................... 26

4.1 – Comportamento do Reator Eletrolítico Utilizando Energia Elétrica ..................... 26

4.2 – Medição da Vazão dos Gases Oxigênio e Hidrogênio Utilizando como Fonte de

Energia a Rede Elétrica................................................................................................... 30

4.3 – Comportamento da Corrente, Tensão e Potência do Reator Eletrolítico para Fluxos

Diferentes de Produção do Hidrogênio Utilizando Energia Elétrica

Convencional.....................................................................................................................32

4.4 – Cálculos da Produção do Hidrogênio Utilizando como Fonte de Energia a Rede

Elétrica...............................................................................................................................64

4.5 – Cálculo da Eficiência das Células Eletrolíticas para um Reator Utilizando Energia

Elétrica...............................................................................................................................65

4.6 – Relação da Vazão da Produção de Hidrogênio em Relação a Corrente, Tensão,

Potência do Eletrolisador e Energia Consumida Utilizando Energia Elétrica

Convencional.....................................................................................................................66

4.7 - Projeto de um Sistema de Fornecimento de Energia Solar para a Produção de

Hidrogênio Eletrolítico......................................................................................................71

4.8 – Comportamento da Tensão, Corrente e Potência do Reator Eletrolítico Utilizando

Painéis Fotovoltaicos como Fonte de Energia...................................................................73

4.9 – Cálculo da Eficiência das Células Eletrolíticas Eletrolíticas para um Reator

Utilizando Energia Solar....................................................................................................77

4.10 – Medição da Vazão dos Gases Oxigênio e Hidrogênio Utilizando como Fonte de

Energia Painéis Fotovoltaicos...........................................................................................78

4.11 – Cálculos da Produção do Hidrogênio Utilizando como Fonte de Energia Painéis

Fotovoltaicos......................................................................................................................79

4.12 - Relação da Vazão da Produção de Hidrogênio em Relação a Corrente, Tensão,

Potência do Eletrolisador e Energia Consumida Utilizando Energia Solar.......................80

iii

4.13 - Sistema de Fornecimento de Energia Solar para a Produção de Hidrogênio

Eletrolítico.........................................................................................................................85

4.14 – Comportamento do Eletrolisador em Função da Tensão e Corrente do Reator

Eletrolítico.........................................................................................................................88

5 – CONCLUSÕES ....................................................................................................... .90

6 – PERSPECTIVAS.......................................................................................................92

7 – REFERÊNCIAS ...................................................................................................... .93

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Transição Global dos Sistemas de Energia................................................. 06

Figura 2.2 – 1) Configuração Unipolar e 2) Configuração Bipolar do Eletrolisador ..... 12

Figura 3.1 – Fluxograma do Processo Eletrolítico............................................................21

Figura 4.1 - Comportamento do reator eletrolítico em função da pressão ao longo do

tempo.................................................................................................................................27

Figura 4.2 - Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do

Tempo................................................................................................................................28

Figura 4.3 - Comportamento da Corrente em Função do Tempo......................................29

Figura 4.4 - Comportamento da Potência em Função do Tempo......................................30

Figura 4.5 – Curva de Calibração para Diversas Vazões em Função da Corrente............31

Figura 4.6 - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de 0,22

m3/h de H2..........................................................................................................................34

Figura 4.7.a - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,35 m3/h de H2..................................................................................................................35

Figura 4.7.b - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,35 m3/h de H2..................................................................................................................36

iv

Figura 4.8.a - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,51 m3/h de H2..................................................................................................................37

Figura 4.8.b - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,51 m3/h de H2..................................................................................................................38

Figura 4.9.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,568 m3/h de H2................................................................................................................39

Figura 4.9.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,568 m3/h de H2................................................................................................................40

Figura 4.10.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,623 m3/h de H2................................................................................................................41

Figura 4.10.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,623 m3/h de H2................................................................................................................42

Figura 4.11.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,736 m3/h de H2................................................................................................................43

Figura 4.11.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,736 m3/h de H2................................................................................................................44

Figura 4.12.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,763 m3/h de H2................................................................................................................45

Figura 4.12.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,763 m3/h de H2................................................................................................................46

Figura 4.13.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,91 m3/h de H2..................................................................................................................47

Figura 4.13.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de

0,91 m3/h de H2..................................................................................................................48

Figura 4.14 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,35 m3/h de H2..................................................................................50

Figura 4.15 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,51 m3/h de H2..................................................................................51

Figura 4.16 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,568 m3/h de H2................................................................................52

v

Figura 4.17 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,623 m3/h de H2................................................................................53

Figura 4.18 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,736 m3/h de H2................................................................................54

Figura 4.19 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,763 m3/h de H2................................................................................55

Figura 4.20 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,91 m3/h de H2..................................................................................56

Figura 4.21 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,22 m3/h de H2..................................................................................57

Figura 4.22 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,35 m3/h de H2..................................................................................58

Figura 4.23 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,51 m3/h de H2..................................................................................59

Figura 4.24 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,568 m3/h de H2................................................................................60

Figura 4.25 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,623 m3/h de H2................................................................................61

Figura 4.26 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,736 m3/h de H2................................................................................62

Figura 4.27 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,763 m3/h de H2................................................................................63

Figura 4.28 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo

para uma Vazão de 0,91 m3/h de H2..................................................................................64

Figura 4.29 – Comportamento da Corrente do Reator em Função de Diversas Vazões de

Hidrogênio.........................................................................................................................68

Figura 4.30 – Comportamento da Tensão do Reator em Função de Diversas Vazões de

Hidrogênio.........................................................................................................................69

Figura 4.31 – Comportamento da Potência do Reator em Função de Diversas Vazões de

Hidrogênio.........................................................................................................................70

vi

Figura 4.32 – Comportamento da Energia Consumida no Reator em Função de Diversas

Vazões de Hidrogênio........................................................................................................71

Figura 4.33 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para

diversas configuração de painéis solares em série.............................................................75

Figura 4.34 – Comportamento da corrente elétrica do reator eletrolítico em função do

tempo para diversas configuração de painéis solares em série..........................................76

Figura 4.35 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para

diversas configuração de painéis solares em série.............................................................77

Figura 4.36 – Curva de Calibração da Vazão em Função da Corrente..............................79

Figura 4.37 - Comportamento da Corrente do Reator em Função de Diversas Vazões de

Hidrogênio.........................................................................................................................82

Figura 4.38 – Comportamento da Tensão do Reator em Função de Diversas Vazões de

Hidrogênio.........................................................................................................................83

Figura 4.39 – Comportamento da Potência do Reator em Função de Diversas Vazões de

Hidrogênio.........................................................................................................................84

Figura 4.40 – Comportamento da Energia Consumida no Reator em Função de Diversas

Vazões de Hidrogênio........................................................................................................85

Figura 4.41 - Comportamento da Vazão por Unidade de Painel em Função do Número de

Painéis Solares...................................................................................................................87

Figura 4.42 – Comportamento da Corrente versus a Tensão do Eletrolisador..................89

LISTA DE TABELA

Tabela 4.1 – Valores experimentais da curva de calibração das vazões em função da

corrente..............................................................................................................................31

Tabela 4.2 - Consumo de Hidrogênio em relação à Corrente do Reator Eletrolítico........33

Tabela 4.3 - Comportamento da Corrente e a quantidade de eletricidade gerada.............33

Tabela 4.4 – Consumo do Hidrogênio em Relação à Tensão do Reator Eletrolítico........49

Tabela 4.5 – Consumo de Hidrogênio em Relação à Potência do Reator Eletrolítico.... .56

vii

Tabela 4.6 – Vazão do Hidrogênio.... ............................................................................. .65

Tabela 4.7 - Tensão Aplicada ao Reator, Tensão em cada Célula e Eficiência das

Células...............................................................................................................................66

Tabela 4.8 – Consumo de Hidrogênio em Relação às Variáveis Corrente, Tensão e

Potência Elétrica do Reator Eletrolítico e Energia Consumida.........................................67

Tabela 4.9 – Valores de Corrente, Tensão do Reator Eletrolítico e o Número de Painéis

Necessários Para Fornecer Energia..................... ............................................................ .72

Tabela 4.10 - Valores da Tensão do Reator em Função do Tempo para Diversas

Configurações de Painéis...................................................................................................74

Tabela 4.11 - Valores de Corrente em Função do Tempo para Diversas Configurações de

Painéis................................................................................................................................75

Tabela 4.12 - Valores da Potência do Reator em Função do Tempo para Diversas

Configurações de Painéis...................................................................................................76

Tabela 4.13 - Tensão Aplicada ao Reator, Tensão em cada Célula e Eficiência das

células................................................................................................................................78

Tabela 4.14 - Valores Experimentais de Corrente, Tempo do Experimento e Volume

Consumido.........................................................................................................................79

Tabela 4.15 – Vazão do Hidrogênio.... ........................................................................... .80

Tabela 4.16 - Consumo de Hidrogênio em Relação às Variáveis Corrente, Tensão,

Potência Elétrica do Reator Eletrolítico e Energia Consumida.........................................81

Tabela 4.17 - Valores de Corrente, Tensão do Reator Eletrolítico, Energia Consumida e o

Número de Painéis Necessários para Fornecer Energia....................................................86

Tabela 4.18 - Valores de Corrente e Tensão, Fornecidos por Painéis solares...................88

viii

LISTA DE QUADRO

Quadro 2.1 – A Relação Atômica Hidrogênio / Carbono.................................................07

LISTA DE FOTO

Foto 2.1 – Célula Fotovoltaica..........................................................................................16

Foto 3.1 – Eletrolisador Bipolar do LABDES..................................................................20

Foto 3.2 – Sistema Experimental Utilizado para Determinar o Fluxo de Gás..................23

ix

SIMBOLOGIA

A – Unidade de corrente

aq – Substância em meio liquido

C – Coulomb

°C – Unidade de temperatura

é – Elétrons transferidos na reação

E – Consumo de energia durante o experimento

F – Constante de Faraday

g – Estado gasoso de uma substância

Ge - Símbolo do elemento químico do germânio

H – Símbolo do elemento químico do hidrogênio

H2 – Símbolo do hidrogênio molecular

l – Estado liquido de uma substância

m3 – Metro cúbico

n – Número de elétrons transferido na reação

η – Eficiência da célula eletrolítica

O – Símbolo do elemento químico do oxigênio

O2 - Símbolo do oxigênio molecular

P – Potência do reator eletrolítico

PV – Painéis fotovoltaicos

ppm – Partes por milhão

Si - Símbolo do elemento químico do Silício

V – Voltagem do reator eletrolítico

W – unidade de potência

Capítulo 1 – Introdução

1

1. INTRODUÇÃO

A sociedade moderna enfrenta sérias dificuldades devido a diversos fatores.

Dois problemas relacionados, que podem ser facilmente identificados, são de crucial

importância para o futuro da sociedade: o esgotamento dos combustíveis fósseis e a

degradação do meio ambiente. Estes problemas estão relacionados com o uso

indiscriminado de combustíveis fósseis para produzir energia. Em particular, o uso desses

combustíveis em um número cada vez maior de veículos que transitam em grandes centros

urbanos é uma das maiores preocupações atuais. A solução destes problemas é, em

princípio, simples: desenvolver energias alternativas não poluentes (Gonzalez, 1999).

O hidrogênio surge como um novo regime energético para o mundo, pois

trata-se do elemento mais leve e mais abundante no universo. O hidrogênio não é

encontrado de forma livre na natureza. Mas ele pode ser obtido de várias maneiras,

através de fontes convencionais ou renováveis como o vento, água, luz solar e biomassa.

Apesar de o hidrogênio ser uma grande fonte de energia, a idéia do seu uso

como combustível passou a ser cogitada a partir da década de 1970, com a crise

provocada pelo aumento do petróleo. Esta crise e os níveis alarmantes de poluição

ambiental mobilizaram a comunidade internacional, trazendo à tona a conversão

eletroquímica de energia, com o uso de células a combustível (Appleby et al, 1993).

As células combustíveis providas de hidrogênio produzem eletricidade. A

pesar de ainda terem um custo elevado, elas tem um potencial de fornecer energia em

grandes proporções.

A utilização de fontes renováveis visa o desenvolvimento e domínio de novas

tecnologias energéticas que viriam a substituir progressivamente as atuais fontes

poluentes e não renováveis.

O Laboratório de Referência em Dessalinização (LABDES) da Universidade

Federal de Campina Grande (UFCG) vem estudando e desenvolvendo um sistema de

produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água. Há mais dez anos que o LABDES

desenvolve pesquisas com hidrogênio com os seguintes trabalhos: Avaliação dos

parâmetros de combustão do H2/O2 obtidos a partir de um reator eletroquímico bipolar

João Sales de Souza Filho

Capítulo 1 – Introdução

2

(Alves, 1992), Sistema de corte e solda de metais não-ferrosos (Andrade, 1993),

Aquecimento de ambiente (Sobrinho, 1995), Fornos de olaria (Pereira, 1999 e 2005).

1.1. OBJETIVO GERAL

O presente trabalho tem como objetivo analisar as variáveis do reator

utilizando energia elétrica convencional para projetar um arranjo de painéis eficiente ao

seu desempenho. Analisar as diversas configurações de painéis fotovoltaicos utilizados

para a produção de hidrogênio eletrolítico.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1- Averiguar o comportamento do reator em função da pressão;

2- Caracterização do reator eletrolítico para tensão, corrente, potência e energia em

função da produção de hidrogênio utilizando energia elétrica convencional;

3- Estudar o comportamento da tensão, corrente, potência e energia do reator

eletrolítico e projetar o número de painéis fotovoltaicos para o reator;

4- Caracterização do reator eletrolítico para tensão, corrente, potência e energia em

função da produção de hidrogênio utilizando energia solar de painéis

fotovoltaicos;

5- Estudar o comportamento da tensão, corrente, potência e energia do reator

eletrolítico em função do número de painéis fotovoltaicos utilizados, para

produção mínima e máxima de hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

3

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

2.1. HIDROGÊNIO

O hidrogênio é o elemento mais simples e abundante do universo, com cada

átomo constituído de apenas um próton e um elétron (Lee, 1996 e Amos, 1998).

O hidrogênio está presente em qualquer lugar, mas é difícil de encontrar na

Terra como elemento isolado. Isso porque o campo gravitacional da terra é pequeno

demais para segurar um elemento tão leve, embora algum H2 seja encontrado em gases

vulcânicos. Em contrapartida, o hidrogênio é o décimo elemento mais abundante na

crosta terrestre (1.520 ppm ou 1,152 % em peso). Encontra-se combinado com oxigênio

em água (oceanos), com carbono em hidrocarbonetos (combustíveis tais como carvão,

petróleo e gás natural) e em plantas, animais e outras formas de vida. O hidrogênio

ligado em água e formas orgânicas conta por mais de 70 % da crosta terrestre. O

hidrogênio forma mais compostos que qualquer outro elemento (Lee, 1996).

O hidrogênio não é uma fonte primária de energia, não sendo encontrado em

minas ou jazidas, nem produzido, em grandes quantidades, através de processos naturais

e espontâneos. Por outro lado, pode ser gerado, por meio de um grande número de

processos artificiais envolvendo diversas fontes primárias, tais como: carvão, petróleo,

energia solar, eólica, nuclear, etc (Pereira, 2005).

A reforma a vapor do metano é o mais comum e o método menos caro de

produzir hidrogênio hoje em dia. Envolve o aquecimento do metano (CH4), do qual o

gás natural é principalmente constituído, num reator catalítico. Cerca de 48 % do

hidrogênio produzido mundialmente é proveniente deste processo (College of the

Desert, 2001).

O carvão pode também ser reformado para produzir hidrogênio, através da

gasificação. O hidrogênio pode também ser extraído do petróleo, da gasolina e do

metanol mediante o processo de reforma. Este processo de oxidação parcial, imitação do

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

4

processo da reforma, é um processo comercial que necessita o uso de oxigênio puro, e é

menos eficiente e emite mais gás carbônico do que a reforma a vapor do metano

(College of the Desert, 2001).

A biomassa pode também ser usada para produzir hidrogênio, de duas

maneiras diferentes. Pode ser gasificada como o carvão, ou pode ser feita mediante

pirólise, um processo no qual a biomassa é decomposta pelo calor para formar um óleo

que é então reformado com vapor. Os dois procedimentos são relativamente sensíveis ao

preço e tipo de biomassa e a distância que ela precisa ser transportada, embora, se

resíduos de biomassa são disponíveis, o preço do hidrogênio torna-se competitivo

(College of the Desert, 2001).

O método mais promissor de produção de hidrogênio é a eletrólise que

envolve o uso de eletricidade para decompor a água em hidrogênio e oxigênio.

Atualmente, aproximadamente 4 % do hidrogênio são produzidos pela eletrólise da

água. Este processo é econômico para produzir hidrogênio extremamente puro em

pequenas quantidades. Mas, a eletrólise fica com o custo maior, devido principalmente a

eletricidade que custa atualmente em média 3 a 5 vezes mais do que um combustível

fóssil. (College of the Desert, 2001).

Se a eletrólise for realizada a partir de energia renovável, o resultado é um

ciclo de hidrogênio muito limpo para o meio ambiente. Durante a última década,

sistemas de eletrólise de água funcionando com energia solar e eólica têm sido

demonstrados em vários lugares na Finlândia, na Alemanha (Barthels, 1998), na Itália

(Galli, 1997), na Arábia Saudita, na Espanha, na Suíça (Hollmuller, 2000) e nos Estados

Unidos (Hollenberg, 1995, Lehman, 1997).

2.2. PERSPECTIVA ENERGÉTICA DO HIDROGÊNIO

A ilha Islândia anunciou em 1999 a sua intenção de tornar-se a primeira

sociedade do hidrogênio no mundo. A Islândia, que gastou 815 milhões de dólares – um

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

5

quarto de seu déficit comercial – na importação de petróleo em 2000, juntou as suas

forças com a Shell Hydrogen, a DaimlerChrysler e a Norsk Hydro numa iniciativa

multi–milionária de converter todos os ônibus, carros, e barcos em veículos funcionando

com células a combustível movidas a hidrogênio num intervalo de 30 a 40 anos. A ilha

espera tornar-se a “Kuwait do norte”, exportando hidrogênio para a Europa e outros

países. (Arnason, 2000).

Quando a produção do hidrogênio for especificamente da eletrólise da água,

assim teremos uma energia renovável, pois a produção atual do hidrogênio é derivada

principalmente dos combustíveis fósseis, liberam indiretamente emissões do dióxido de

carbono. Quando a produção de hidrogênio estiver em grande escala e um valor

comercial competitivo com o petróleo, podemos então sair da dependência dos

combustíveis fósseis, que são importados predominantes das regiões instáveis devidos a

suas políticas. A consciência está crescendo também visto que o hidrogênio gerado da

energia solar usando a eletrólise da água (solar-hidrogênio), é a alternativa a mais

promissora para o combustível do futuro (Nowotny et al, 2007).

A Figura 2.1 apresentação a porcentagem da utilização dos combustíveis

desde o ano de 1850, bem como a projeção energética até o ano de 2150, onde se observa

o declínio das fontes energéticas sólidas e liquidas e a ascensão das fontes gasosas (Dunn,

2002).

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Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

6

Figura 2.1 - Transição global dos sistemas de energia (Dunn, 2002)

A passagem de combustíveis sólidos para líquidos para gases envolve uma

outra transição: o processo menos visível de “decarbonilação”. Da madeira para o

carvão, petróleo, gás natural, a relação de átomos de hidrogênio (H) para átomos de

carbono (C) nas moléculas de cada fonte aumentou. Passou de 1 : 3 a 1 : 10 (madeira),

para 1 : 2 (carvão), 2 : 1 (petróleo) e 4 : 1 (gás natural) (quadro 2.1). De 1860 até 1990,

a relação H : C foi multiplicada por 6. O fato mais importante, surpreendente e feliz a

ser enfatizado a partir dos estudos energéticos é que, durante os últimos 200 anos, o

mundo tem progressivamente favorecido átomos de hidrogênio no lugar de átomos de

carbono. A tendência da decarbonilação é no coração da evolução do sistema energético

(Dunn, 2002).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

7

C

CC

C

CC C

C

CC

CC

CC

C

C C

CC

CC

C CC

HH

H

H

H

H

H HH

H

H

H

Coroas H : C = 0,5 : 1

Carvão

C C

H

H

H

H

H H

H

H

H

CC C C

H

H

H

HH

H

H

H

CC

H

H

C

Decano H : C = 2 : 1

Propano (GLP) H : C = 4 : 1,5

C C

H

H

H

H

H H

H

HC

Petróleo mineral

C H

H

H

H

Metano H : C = 4 : 1

Gás natural

H H

H : C =

Hidrogênio

Quadro 2.1 - A relação atômica hidrogênio / carbono (Dunn, 2002).

O Laboratório de Referência em Dessalinização (LABDES) vem estudando e

desenvolvendo um sistema de produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água. O

hidrogênio eletrolítico assim produzido é imediatamente usado como combustível,

avaliação dos parâmetros de combustão do H2/O2 obtidos a partir de um reator

eletroquímico bipolar (Alves, 1992), em sistema de corte e solda de metais não-ferrosos

(Andrade, 1993), em aquecimento de ambiente (Sobrinho, 1995), em fornos de olaria

(Pereira, 1999 e 2005).

Em uma região do porte e com concentração de veículos presentes na Região

Metropolitana de São Paulo (RMSP), a emissão e concentração de poluentes no ar são

inevitáveis. Levando em consideração a necessidade de conservação de energia e

eficiência da conversão energética, a redução de emissão de poluentes e o conforto do

público, o governo brasileiro por meio do Ministério de Minas e Energia (MME) e a

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Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

8

Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos EMTU/SP, decidiram apoiar um

programa para estimular o desenvolvimento e a utilização de ônibus com célula a

combustível hidrogênio. O objetivo do projeto é reduzir as emissões de gases poluentes

pela introdução de uma nova fonte de energia e tecnologia de propulsão para ônibus

urbanos, o combustível hidrogênio (Sulaiman et al, 2004).

A Arábia Saudita tem seu clima seco com altas temperaturas e o país

encontra-se com necessidade de aproveitar tanta energia solar disponível. O hidrogênio

e a energia solar são grandes fontes de energia para o futuro, no qual já encontra-se uma

planta da energia solar, produzindo 350 kW de potência que vêm dos painéis

fotovoltaicos, no qual encontra-se acoplado a um eletrolisador de água, que com a

eletricidade solar produz 463 m3 do hidrogênio por dia. Entretanto, as vantagens

econômicas previstas a ser considerada neste papel é a geração de eletricidade com os

painéis fotovoltaicos, e também pela produção do hidrogênio devido a eletrólise da água

(Sulaiman et al, 2004).

No presente momento há dois sistemas experimentais de energia renovável em

desenvolvimento no México. O primeiro é em um local grande, um sistema conectado a

painéis solares, células combustíveis e hidrogênio produzindo 10 kW de energia solar,

que está sendo realizado em um centro de pesquisa de energia e o segundo é um sistema

de produção de hidrogênio por meio de energia eólica que gera 10 kW que está sendo

realizado na universidade politécnica de Chiapas, para produzir energia e bombear água.

Estes tipos de sistemas de energia renovável são ajustados a fim de avaliar os aspectos

técnicos, econômicos, e ambientais de tecnologias diferentes da energia renovável. As

principais atividades desta pesquisa no México são concentradas na produção do

hidrogênio pela eletrólise, produção do bio-hidrogênio usando os micro-organismos,

armazenamento do hidrogênio nos nano-materiais e sua utilização (Sebastian et al, 2007).

Tem-se que 80% da demanda de energia do mundo são fornecidos por

combustíveis fósseis. Devido a isto, foi proposto um programa de geração eletrolítica do

hidrogênio para o Brasil com o auxílio dos painéis fotovoltaicos. O hidrogênio gerado

servirá como fonte de energia e substituirá gradativamente o combustível fóssil. O local

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Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

9

proposto para a instalação do projeto é na região nordeste do Brasil, uma região com

grande incidência da radiação solar. Foi observado que se nenhum hidrogênio estiver

introduzido e o combustível fóssil permanecer disponível durante todo o século XXI, a

poluição aumentará em torno de 19 vezes até o ano de 2060. Já a introdução do

hidrogênio reduzirá a poluição em aproximadamente 60% até o ano 2055 (Lutero et al,

2001).

2.3. APLICAÇÕES DO HIDROGÊNIO COMO COMBUSTÍVEL

Atualmente, os combustíveis fósseis correspondem a 88% da demanda

mundial de energia, dentre esses o petróleo é cerca de 38%, o carbono 30%, e gás natural

20%. Já a energia proveniente de combustíveis não fósseis corresponde a 12%, sendo 7%

hidroeletricidade e 5% nuclear. Sabe-se também, que as reservas de petróleo e gás natural

devem durar várias décadas e as de carbono, vários séculos.Apesar dessa situação

aparentemente sustentável, o desenvolvimento de novos sistemas energéticos alternativos

está bastante intensificado (Avaca et al., 2002). Os principais motivos para essa

preocupação são:

a) o aumento exagerado do consumo destas fontes convencionais de energia;

b) a distribuição não homogênea dos recursos energéticos

c) a produção de contaminantes pelos combustíveis fósseis (emissão de CO2) e

os problemas ambientais correlacionados como chuva ácida, efeito estufa,

derramamento de petróleo.

Diversas formas de energia não-convencionais e renováveis estão sendo

consideradas como possíveis fontes energéticas para suprir essa demanda crescente.

Dentre elas podemos destacar a energia nuclear (fissão), a termonuclear (fusão), a solar,

eólica, hidráulica, geotérmica. Algumas dessas fontes energéticas apresentam algumas

desvantagens como ser intermitentes (solar, eólica); estar localidades fixas (hidráulica,

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Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

10

geotérmica, biomassa); e além disso não podem ser usadas diretamente como

combustível para transporte particular ou público (Avaca et al., 2002).

Estes pré-requisitos podem ser muito bem atendidos pelo hidrogênio, por

este poder ser armazenado, transportado, não contaminar, independente de fontes

primárias, renovável e também pode ser utilizado de várias formas diferentes (Avaca et

al., 2002).

A maior aplicação energética atual do Hidrogênio é o programa espacial

norte-americano; em que ele é usado como combustível primário dos foguetes e fonte de

energia elétrica durante as missões através de células combustíveis. Outro campo de

utilização em grande escala são as centrais elétricas funcionando com células

combustíveis, tendo como desvantagem a contaminação de catalisadores pelas

impurezas presentes no hidrogênio obtido a partir do metano (Wendt et al., 2000).

As pesquisas visando à utilização de hidrogênio estão voltadas para a

aplicação em turbinas a vapor para produção de energia elétrica. Nesses sistemas, a

tecnologia é derivada dos foguetes, em que o hidrogênio juntamente com oxigênio se

combinam por combustão a altas temperaturas e pressão, gerando grande quantidade de

calor. Com a adição de água no reator o vapor é gerado e este gira uma turbina e a

energia elétrica é produzida de forma convencional (Wendt et al., 2002).

O uso de hidrogênio em veículos tem alguns problemas que devem ser

considerados. O primeiro é o armazenamento do hidrogênio que será usado como

combustível. O H2 pode ser transportado de formas diferentes:

Como gás comprimido em cilindros

Na forma líquida em tanques criogênicos

O hidrogênio armazenado em cilindros é muito pesado e ocupa grande

volume; o líquido sofre evaporação intensa, e as células combustíveis são caras (Wendt

et al., 2002).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

11

O hidrogênio necessário para a combustão pode ser gerado no veículo

usando um reformador alimentado por um combustível líquido como a gasolina ou

álcool. Esses sistemas já estão disponíveis no mercado, mas apresentam um problema

de pureza do gás gerado (Wendt et al., 2002).

O uso de células combustíveis como gerador de energia para transporte vem

sendo estudado por várias empresas desde a década de 80. O primeiro automóvel

movido à célula combustível foi lançado nos Estados Unidos em 1991 (Wendt et al.,

2002).

2.4. PRODUÇÃO DO HIDROGÊNIO: ELETRÓLISE DA ÁGUA

É uma reação de decomposição de substâncias por efeito de uma corrente

elétrica. Tal reação se processa a temperatura e pressão constantes em um reator

denominado célula eletrolítica. Esta é uma reação “força”, pois só se realiza mediante o

consumo de trabalho elétrico útil, que é então armazenado na forma de energia livre de

Gibbs (Pereira, 2005).

A produção de hidrogênio pela eletrólise da água é, em princípio, muito

simples. Uma célula eletrolítica básica é constituída de um par de eletrodos imersos em

um eletrólito condutor dissolvido em água. A corrente elétrica passa através da célula de

um eletrodo para o outro e o hidrogênio é produzido em um eletrodo (cátodo) e o oxigênio

no outro eletrodo (ânodo). A água consumida deve ser reposta continuamente (Pereira,

2005).

Na prática, a célula eletrolítica é mais complicada, contendo vários

componentes que lhe permitem trabalhar eficiente e economicamente. A reação de

decomposição da água é uma reação endotérmica, representada da seguinte forma:

H2O H2 + ½ O2 (2.1)

ΔH = 58,15 kcal/mol a 150oC (Bockris, 1975).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

12

2.5. TIPOS DE ELETROLISADORES

Existem dois tipos de configuração em relação aos eletrodos, configuração

unipolar ou bipolar.

Na configuração unipolar, conforme mostra a Figura 2.2, os eletrodos de

mesma polaridade da célula eletrolítica são associados eletricamente em paralelo, fazendo

com que a voltagem total da célula seja a mesma de um par de célula, aproximadamente

2,0 volts (Pereira, 2005).

2 1

Figura 2.2 - 1) Configuração unipolar e 2) configuração bipolar do eletrolisador (Pereira,

2005).

No eletrolisador bipolar, conforme mostra a configuração 2 da Figura 2.2, os

eletrodos são ligados eletricamente em série. A voltagem total da célula é dada pelo

número de células multiplicado pela voltagem de uma célula. Desta forma tem-se uma

alta voltagem e uma baixa amperagem (Pereira, 2005).

2.6. REAÇÕES NA ELETRÓLISE DA ÁGUA

Aplicando uma diferença de potencial nos eletrodos do reator eletrolítico é

gerado assim um campo elétrico no meio eletrolítico, produzindo um fluxo iônico

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

13

direcionado; os íons de carga positiva se dirigem para o cátodo e os negativos para o

ânodo (Pereira, 2005).

Para os eletrólitos alcalinos, a reação é a seguinte:

Eletrólito alcalino H2O(l) H2(g) + ½ O2(g) (2.1)

2.7. PROCESSOS ELETROLÍTICOS

Industrialmente existem três versões para o processo de ruptura eletrolítica da

molécula de água para produção de hidrogênio com alto grau de pureza:

a) Eletrólise da água com eletrólitos alcalinos usando um diafragma poroso para

separar os compartimentos catódico e anódico, evitando assim a mistura do

hidrogênio com o oxigênio (Kreuter, 2002).

As reações que ocorrem nos eletrodos são:

Cátodo −− +→+ OHHeOH 222 22

Ânodo −− ++→ eOHOOH 2212 22

b) Eletrólise da água com membrana ou eletrólito polimérico sólido onde se utiliza

uma membrana de troca iônica, condutora de prótons que atua como eletrólito e

como separador de eletrodos porosos, simultaneamente. A água a ser dissociada não

precisa de um eletrólito dissolvido para aumentar sua condutividade, sendo

colocada no sistema no lado anódico somente (Kreuter, 2002).

As reações eletrolíticas são:

Ânodo −+ ++→ eOHOH 2212 22

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Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

14

Cátodo 222 HeH →+ −+

c) Eletrólise do vapor de água a alta temperatura (700 – 1000ºC), utilizando uma

cerâmica condutora de íons O-2 (tal como ZrO2 cúbico estabilizado por Y2O3, MgO ou

CaO). A água que será dissociada na célula é introduzida no lado catódico, na forma de

vapor. Desta forma a quebra eletrolítica da água gera uma mistura de hidrogênio com

vapor de água. Os íons O-2 são levados através do material cerâmico em direção ao

ânodo, onde são descarregados para produzir o oxigênio (Kreuter, 2002).

As reações neste caso são:

Cátodo 222 2 −− +→+ OHeOH

Ânodo −− +→ eOO 221

22

2.8. TENSÃO NA CÉLULA ELETROLÍTICA

A aplicação da teoria termodinâmica ao processo conduz aos seguintes

resultados:

n.FG-E1

Δ=

Voltagem mínima para o desenvolvimento das reações (1,23 volts).

n.FHE2

Δ=

Voltagem termoneutra, onde não há troca de calor entre o sistema químico e o meio

ambiente (1,47 volts) onde n é número de elétrons transferido na reação, F, a constante

de Faraday (96.489 Coulombs/equivalente) e ΔH, a variação da entalpia da reação

(Pereira, 2005).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

15

2.9. ENERGIA SOLAR

A energia solar é uma fonte inesgotável e gratuita. Sendo assim, podendo

solucionar parte dos problemas de escassez de energia que abala o mundo. Nos países

subdesenvolvidos, como o Brasil, esta fonte de energia deve ser aproveitada ao máximo.

Normalmente esses países apresentam elevadas extensões territoriais e estão situados

em zonas tropicais, ou seja, dispõem de alta incidência de radiação, o que torna viável o

desenvolvimento de tecnologias capazes de transformar a energia solar em energia

térmica, elétrica, química, mecânica etc (Palz, 1981).

A conversão direta de energia solar em eletricidade tem sido objeto de

estudo desde o fim do século XIX. O efeito fotoelétrico foi descoberto em 1890, quando

Lenrich Hertz, testando a teoria eletromagnética da luz proposta por Maxwell,

verificando a existência de ondas eletromagnéticas quando uma placa metálica era

exposta à luz ultravioleta (Palz, 1981).

Em 1950, foi descoberto que certos materiais denominados de

semicondutores tinham a propriedade de converter eletricidade quando expostos à luz,

principalmente a luz solar (Palz, 1981).

Em 1954, nos Laboratórios de Bell Telephone, nos Estados Unidos, foram

desenvolvidos pastilhas de silício, onde se viu que o silício tem uma eficiência de 10

vezes mais, do que as outras substâncias, na transformação de luz em eletricidade. Em

1955, em Phoenix, no Arizona, ocorreu a primeira apresentação pública de células

fotovoltaicas para a geração de eletricidade (Palz, 1981).

Desde então, o silício mostrou ser o material mais barato e eficiente para a

produção de eletricidade através do efeito fotovoltaico, vem sendo o elemento mais

comercializado para a produção de painéis fotovoltaicos (Palz, 1981).

A transformação da radiação eletromagnética (a luz solar) em energia

elétrica é feita por células fotovoltaicas, ou células solares (foto 2.1), que podem ser

entendidas como dispositivos semicondutores que produzem uma corrente elétrica

quando expostos à luz. Os semicondutores mais comuns são os formados por elementos

do grupo IV da tabela periódica, em especial silício (Si) e germânio (Ge), submetidos á

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

16

dopagem (troca de alguns átomos da estrutura cristalina por átomos de outros

elementos). Se a dopagem é feita com átomos pentavalentes, o cristal é do tipo N. Feita

com átomos trivalentes, o cristal é do tipo P. Quando um cristal é unido a um P forma-se

uma junção P-N e surge um campo elétrico na região da junção (Palz, 1981).

Quando a célula é exposta à luz (que, no nível atômico, atua como um fluxo

de partículas chamadas fótons), parte dos elétrons do material iluminado absorve fótons

e, essa energia extra, ‘escapa’ dos átomos. Os elétrons livres vagueiam pelo

semicondutor até serem atraidos pelo campo elétrico existente na área de junção e,

através de uma ligação externa, são levados para fora da célula, ficando disponíveis para

uso (energia elétrica). A célula fotovoltaica não armazena energia elétrica, pois cada

elétron que a deixa é substituído pelo retorno de outro (Palz, 1981).

2.10. PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

Os módulos fotovoltaicos, painéis fotovoltaicos (PV) são encontrados

comercialmente nos tamanhos que variam entre 10 e 300 Watts. Um sistema

fotovoltaico completo consiste de um painel ou um módulo conectado a um inversor

que converte a eletricidade de corrente direta em corrente alternada que é compatível

com o sistema da rede elétrica (McVeigh, 1979, Palz, 1981).

Foto 2.1 - Célula fotovoltaica.

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Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

17

As fotocélulas possuem os mais diversos empregos, tanto no campo espacial

quanto no campo terrestre. No campo espacial possuem aplicação na geração de

eletricidade para equipamentos lançados ao espaço, como os satélites. No campo

terrestre é utilizada na geração de energia elétrica para: utilização em cerca elétrica;

bombeamento d’água; refrigeração; iluminação; televisores; telefonia rural; recarga de

baterias automotivas; acionamento de bombas de sistemas de dessalinização de águas,

etc. Porém, seu uso ainda está limitado a regiões remotas e em pequenas escala.

(McVeigh, 1979, Palz, 1981).

Os painéis fotovoltaicos operam a partir de células solares, a conversão da

radiação solar ocorre entre dois eletrodos anexados num sistema liquido ou sólido, onde

absorve a luz solar, onde gera a energia elétrica. Assim o material tem que ser de alta

pureza e de alta perfeição cristalina (Goetzberger et al., 2002).

O material de célula solar ideal: é constituído de material não tóxico; fácil

para instalação em grandes áreas; uma ótima eficiência do painel fotovoltaico e longo

tempo de estabilidade (Goetzberger et al., 2002).

No futuro surgiram novas classes de materiais de células solares orgânicas,

do ponto de vista global, isto pode ser considerado uma vantagem, de alta potência e

baixo custo na eficiência da célula solar (Goetzberger et al., 2002).

O silício tem um pequeno problema, onde 50% do custo de um módulo é

devido ao custo da produção de bolachas de silício. A tecnologia presente está

relativamente amadurecendo, mas vários estudos têm mostrado que isto ainda pode ter

uma redução nos custos. Simulações mostraram que os parâmetros ideais para uma alta

eficiência, apontam que com o descrever da espessura da célula a voltagem do circuito

aberto aumenta, devido à corrente reduzir, que é resultado da geometria dos painéis

(Goetzberger et al., 2002).

A energia solar pode ser transformada em outras formas úteis como, por

exemplo, em eletricidade. É preciso tirar vantagem por todos os meios possíveis desta

inesgotável fonte de energia que pode nos tornar independente do petróleo ou de

alternativas menos seguras, mais caras, com preços atrelados ao dólar. Porém, ainda

existem problemas a superar. É preciso lembrar de que esta energia é sujeita a

João Sales de Souza Filho

Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos

18

flutuações e variações. Por exemplo, a radiação é menor no inverno, quando mais

precisamos dela. É muito importante continuar buscando tecnologia de recepção,

acumulação e distribuição da energia solar. Durante o presente ano, o Sol irradiará na

Terra quatro mil vezes mais energia que do que vamos consumir. O Brasil possui os

mais elevados índices mundiais dessa fonte de energia (Vera et al., 2004).

Na Inglaterra futuramente terá um projeto para um ônibus movido a energia

solar, o ônibus irá liberar vapor d´água ao invés de dióxido de carbono. A luz solar é

convertido em eletricidade usada para fazer a eletrólise da água em hidrogênio e

oxigênio, o hidrogênio será comprimido em células de combustível consumido pelo

ônibus, onde a única emissão será o vapor d´água, acredita-se que seja o maior projeto

mundial usando energia solar e hidrogênio (Sebastian, 2001).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 3 – Experimental

19

3 EXPERIMENTAL

Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Referência em

Dessalinização da Universidade Federal de Campina Grande (LABDES/UFCG) e tem

por finalidade analisar as variáveis do reator para projetar um arranjo de painéis

eficientes ao seu desempenho e analisar as diversas configurações de painéis

fotovoltaicos para a produção de hidrogênio eletrolítico do eletrolisador.

3.1. MATERIAL UTILIZADO

Para a realização deste trabalho foram utilizados os seguintes equipamentos e

reagentes:

3.1.1. MATERIAL

O eletrolisador bipolar é constituído das seguintes unidades:

• um reator eletrolítico, composto de 47 células separadas por espaçadores

de PVC de 0,2 cm de espessura com 26 cm de diâmetro;

• um manômetro, um voltímetro e um amperímetro;

• Reservatório do eletrólito;

• Purgadores;

• Trocador de calor;

• Fonte de alimentação;

• Regulador de pressão.

3.1.2.PRODUTOS QUÍMICOS

• KOH (Hidróxido de Potássio);

João Sales de Souza Filho

Capítulo 3 – Experimental

20

• Benzina;

• Álcool.

3.1.3. SISTEMA ELETROLÍTICO (ELETROLISADOR BIPOLAR)

O eletrolisador bipolar apresentado na Foto 3.1 possui as seguintes características:

• Tipo: Eletrolisador Bipolar

• Potência máxima do reator: 5000 W

• Tensão do reator: 96 V

• Corrente máxima do reator: 50 A

• Pressão de trabalho: 1,5 kgf/cm2 - 1,0 kgf/cm2

Foto 3.1: Eletrolisador Bipolar do LABDES.

A Figura 3.1 apresenta o sistema. do eletrolisador bipolar que é constituído das

seguintes unidades:

João Sales de Souza Filho

Capítulo 3 – Experimental

21

• um reator eletrolítico, constituído de 47 células em série (local onde os

gases são gerados);

• um sistema de refrigeração que atua como trocador de calor, cuja

função é baixar a temperatura do gás eletrólitico facilitando a

condensação do eletrólito;

• um purgador utilizado para evitar a presença de íons estranhos;

• selos controladores de chama, que são a benzina e ou álcool etílico

com o objetivo de evitar o recuo, diminuindo seu caráter explosivo;

• Fonte de alimentação que corresponde ao transformador monofásico

de 220 V para 110 V, retificador de corrente e disjuntor de segurança;

• um pressostato utilizado para controlar a pressão interna do sistema

através da pressão de saída dos gases.

Fluxograma do Processo

Figura 3.1: Fluxograma do Processo Eletrolítico (Pereira, 2005).

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Capítulo 3 – Experimental

22

3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL PARA DETERMINAR O FLUXO

DO GÁS

Durante o processo, foi avaliada a energia necessária para o funcionamento do

eletrolisador, e projetado a quantidade de painéis fotovoltaicos necessários para atender

as especificações do reator eletrolítico e determinado o fluxo de gás para cada arranjo de

painel.

Para determinar o fluxo do gás não foi utilizado um fluxômetro comercial,

devido os gases (H2 + O2) saírem juntos do eletrolisador, os fluxômetros comerciais são

específicos para medir a vazão do hidrogênio ou oxigênio, então foi montado um sistema

experimental como mostra a Foto 3.2, uma proveta de 2 litros, um recipiente de vidro de

8 litros, o maçarico e um cronômetro. O sistema experimental foi utilizado durante cada

experimento da seguinte maneira, depois de conectado os painéis solares ao reator

eletrolítico acoplou o maçarico entre a proveta e o recipiente, tanto o recipiente quanto a

proveta estavam cheios com água, em seguida anotou o valor inicial de volume em que a

água se encontrava na proveta e com um cronômetro marcou o tempo em que em

esvaziava a água da proveta. Anota o valor final em que a água restou depois do

experimento, obtendo o valor do volume de água deslocado pela presença do gás que

ocupou o lugar da água em um determinado tempo, para cada arranjo de painéis foram

realizados em média quatro medições, para um tempo de 3 minutos para cada

experimento e depois fez a média do volume e tempo, para assim fazer os cálculos que

determina a vazão do gás (O2 + H2).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 3 – Experimental

23

Foto 3.2: Sistema experimental utilizado para determinar o fluxo de gás.

3.2.1. CONFIGURAÇÕES DOS PAINÉIS

A configuração dos painéis depende da demanda energética dos equipamentos

que serão alimentados pelo sistema de energia solar.

A ligação elétrica em série dos painéis solares permite a obtenção de uma

maior tensão por uma corrente constante enquanto a ligação em paralelo permite obter

uma maior corrente por uma tensão constante. Logo, a ligação em série será vantajosa

para aparelhos que precisam utilizar baixa corrente e alta tensão e a ligação em paralelo

será favorável ao uso de equipamentos que necessitam de baixa tensão e alta corrente.

De posse dos dados obtidos através do consumo energético do eletrolisador

em função da produção de hidrogênio, pode projetar um sistema de fornecimento de

energia solar, ou seja, definir o número de painéis fotovoltaicos necessários ao melhor

desempenho do eletrolisador em estudo.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 3 – Experimental

24

3.2.2. METODOLOGIA

Procedimentos básicos para ligar o eletrolisador com energia elétrica

convencional:

SELETOR DE CORRENTE (3)

VERIFICAÇÕES (1)

CHAVE GERAL (2)

ELETROLISADOR (4)

MAÇARICO (5)

LEITURA DOS DADOS (6)

1) PROCEDIMENTO – Observar os níveis de água, benzina e álcool,

verificar se há algum tipo de vazamento e se o maçarico está fechado;

2) PROCEDIMENTO – Ligar a chave do disjuntor;

3) PROCEDIMENTO – Posicionar a chave seletora na corrente desejada;

4) PROCEDIMENTO - O eletrolisador começa a produzir hidrogênio de

forma semi-contínua, ocorre o desligamento automático do reator, quando esta atinge a

João Sales de Souza Filho

Capítulo 3 – Experimental

25

pressão de trabalho de 1,5 kgf/cm2, em seguida o reator volta a ligar novamente quando

atingir a pressão mínima de operação da máquina (1,0 kgf/cm2).

5) PROCEDIMENTO – Ajustar a abertura da válvula do maçarico;

6) PROCEDIMENTO - Os dados são lidos através de um sistema de aquisição

de dados, que está conectado ao um computador, onde o programa do sistema permite

registrar os dados para uma futura análise.

Procedimentos básicos para ligar o eletrolisador com energia obtida de painéis

fotovoltaicos:

VERIFICAÇÕES (1)

CHAVE GERAL (2)

MAÇARICO (3)

LEITURA DOS DADOS (4)

1) PROCEDIMENTO – Observar os níveis de água, benzina e álcool,

verificar se há algum tipo de vazamento e se o maçarico está fechado;

2) PROCEDIMENTO – Ligar a chave do disjuntor;

5) PROCEDIMENTO – Ajustar a abertura da válvula do maçarico;

6) PROCEDIMENTO - Os dados são lidos através de um sistema de aquisição

de dados, que está conectado ao um computador, onde o programa do sistema permite

registrar os dados para uma futura análise.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

26

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Os resultados obtidos nesta etapa foram avaliados e discutidos, quanto ao

comportamento da corrente, tensão e potência do reator eletrolítico em função do tempo

para diversas vazões de produção do hidrogênio, utilizando como fonte de alimentação

para o reator a energia elétrica convencional. Também foi projetado um sistema de

fornecimento de energia solar para a produção de hidrogênio eletrolítico.

Em uma segunda etapa foram avaliados os dados de corrente, tensão e

potência do reator eletrolítico em função do tempo para diversas vazões de produção do

hidrogênio, utilizando painéis fotovoltaicos como fonte de alimentação para o reator.

Várias configurações de painéis fotovoltaicos foram montadas para a produção de

hidrogênio eletrolítico.

4.1 COMPORTAMENTO DO REATOR ELETROLÍTICO UTILIZANDO

ENERGIA ELÉTRICA.

Durante a eletrólise são produzidos os gases hidrogênio e oxigênio de forma

separada. Devido o eletrolisador ter uma única saída de gás que é o maçarico, então os

gases hidrogênio e oxigênio saem misturado do reator eletrolítico.

A Figura 4.1 apresenta o comportamento do reator eletrolítico em função da

pressão do sistema. Durante o experimento o reator é controlado de forma automática pelo

pressostato para desligar quando a pressão dos gases atingir um valor de 1,5 kgf/cm2 no

reator, evitando assim um aumento de pressão no reator que pode causar vazamento.

Quando a máquina estiver desligada, o consumo de hidrogênio e oxigênio provoca a

diminuição dos gases no reator. Quando esta pressão atinge 1,0 kgf/cm2, então a máquina

liga e começa a produzir hidrogênio e oxigênio novamente.

Este processo é automatizado, tanto para ligar como desligar a alimentação

elétrica do eletrolisador. O tempo de ligamento e desligamento depende da demanda e

do consumo dos gases produzidos.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

27

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

ReatorLigado

ReatorDesligado

ReatorLigado

Pre

ssão

máx

ima

de tr

abal

ho(k

gf/c

m2 )

Tempo

Figura 4.1: Comportamento do reator eletrolítico em função da pressão ao longo do tempo.

As Figuras de 4.2, 4.3 e 4.4 apresentam como ocorre o funcionamento do

reator eletrolítico em relação às variáveis: tensão, corrente e potência do reator

eletrolítico.

A Figura 4.2, apresenta a variação da tensão do reator eletrolítico em função

do tempo. Durante o experimento o reator é controlado de forma automática para

desligar quando a produção de hidrogênio atingir uma pressão de 1,5 kgf/cm2 no reator,

evitando assim um aumento de pressão no reator que pode causar vazamento. O

descarregamento acontece de forma capacitiva, e quase nunca o valor da tensão chega à

zero, quando o hidrogênio produzido for sendo consumido e a pressão for diminuindo e

atingir uma pressão mínima de 1,0 kgf/cm2 no reator, então o reator liga novamente de

forma instantânea.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

28

30

40

50

60

70

80

90

100

20

0 10 20 30 400

10

Tens

ão(V

)

Tempo(s)

Figura 4.2: Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo.

A Figura 4.3 apresenta a variação da corrente em função do tempo. Quando a

máquina está desligada vai consumido o hidrogênio e também vai diminuindo a pressão

do reator para 1,0 kgf/cm2, então a máquina liga e começa a produzir hidrogênio.

Durante alguns segundos a máquina fica ligada com uma determinada corrente, em

seguida a máquina se desliga e o valor da corrente volta à zero. Quando o reator

eletrolítico se desliga é devido à pressão interna da máquina que atinge a pressão de

calibragem do pressostato (1,5 kgf/cm2), cortando assim a corrente.

.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

29

0 10 20 30 400

5

10

15

20

25

30

35

Cor

rent

e(A

)

Tempo(s)

Figura 4.3: Comportamento da corrente em função do tempo.

Na Figura 4.4 apresenta a potência do reator eletrolítico em função do tempo,

esta variável é apresentada de acordo com os valores obtidos de corrente e tensão do

reator, apresentando as mesmas características de ligar e desligar automaticamente, que

depende da pressão interna do reator. Representando a quantidade de potência necessária

para produção de hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

30

0 10 20 30 400,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Pot

ênci

a(kW

)

Tempo(s)

Figura 4.4: Comportamento da potência em função do tempo. 4.2 MEDIÇÃO DA VAZÃO DOS GASES OXIGÊNIO E HIDROGÊNIO

UTILIZANDO COMO FONTE DE ENERGIA A REDE ELÉTRICA

Para determinar a produção dos gases (O2 + H2) foi montado um sistema com

uma proveta e um recipiente de vidro no qual foi imerso o maçarico com saída de gás. Os

dados apresentados na Tabela 4.1 referem-se à curva de calibração das vazões em função

da corrente. Cada ponto na Figura representa a média de três repetições realizadas para

cada valor de corrente e o tempo de esvaziamento da proveta. A Figura 4.5 apresenta a

curva de calibração das vazões em função da corrente, o aumento da vazão do gás é

proporcional ao aumento da corrente.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

31

Tabela 4.1 – Valores experimentais da curva de calibração das vazões em função da

corrente.

Corrente(A) 0 30 41 48 50

Tempo(s) 0 5,4 3,4 2,6 2,5

Volume (L) 0 1 1 1 1

Vazão(m3/h) 0 0,67 1,07 1,36 1,40

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

Y=(-0,0527)+(0,02819*X) R=0,99094

0 10 20 30 40 500,0

Vazõ

es d

os G

ases

O2 e

H2(m

3 /h)

Corrente(A)

Figura 4.5 – Curva de calibração para diversas vazões em função da corrente.

Para determinar a produção de hidrogênio a partir da mistura dos gases, foi

visto que para cada 1 mol de água são produzidos 1 mol de hidrogênio e 0,5 mol de

oxigênio.

1 mol de H2O(l) -- 1 mol de H2(g) + 0,5 mol de O2(g)

Para obter o valor da produção de hidrogênio foram realizados os seguintes

cálculos. A equação mostra que a vazão obtida é então igual à 1,5 vezes a vazão do

hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

32

4.3 COMPORTAMENTO DA CORRENTE, TENSÃO E POTÊNCIA DO

REATOR ELETROLÍTICO PARA FLUXOS DIFERENTES DE PRODUÇÃO

DO HIDROGÊNIO UTILIZANDO ENERGIA ELÉTRICA CONVENCIONAL

As Figuras 4.6 a 4.29 apresentam a variação da corrente, tensão e potência

do reator eletrolítico em função do tempo para vazões distintas de 0,22 m3/h a 0,91 m3/h

de hidrogênio.

Ao testar o desempenho do sistema de produção de hidrogênio eletrolítico,

as variáveis (tensão, corrente e potência elétrica) do sistema são caracterizados de

acordo com o seu desempenho, usando como fonte energética a rede elétrica.

As Figuras 4.6 a 4.13 que representam a corrente do reator eletrolítico em

função do tempo, tem uma corrente média de 13,5 A à 50,3 A, para os fluxos que

variam de 0,22 m3/h a 0,91 m3/h de hidrogênio, respectivamente. Com o aumento da

produção de hidrogênio, ocorre o aumento da corrente. Após certo intervalo de tempo,

ocorre o desligamento automático da máquina (amperagem cai à zero) significando que

os gases já estão na pressão de trabalho da máquina.

Analisando o comportamento da variação da tensão, as figuras 4.14 e 4.21,

mostram que os valores das tensões aumentam os fluxos do gás, a tensão depende do

número de células do reator (47 células) para fornecer mais voltagem.

As Figuras 4.22 a 4.29 têm o comportamento da potência do reator

eletrolítico em função do tempo em relação às vazões de 0,22 m3/h a 0,91 m3/h.

Através da tensão e corrente, obtém a potência do reator eletrolítico, no qual

a potência média de 1,27 kW a 4,87 kW, para diversos fluxos de 0,22 m3/h a 0,91 m3/h.

Logo com o aumento do fluxo da produção do hidrogênio, ocorre o aumento da potência

do reator eletrolítico.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

33

Tabela 4.2 – Consumo de hidrogênio em relação à corrente do reator eletrolítico.

Figuras Corrente (A) Vazão do H2 (m3/h)

4.6 13,50 0,220 4.7 20,70 0,350 4.8 29,05 0,510 4.9 32,10 0,568 4.10 35,04 0,623 4.11 41,10 0,736 4.12 42,50 0,763 4.13 50,30 0,910

A Tabela 4.3 apresenta a relação da corrente com a quantidade de

eletricidade gerada, observa-se que com o aumento da corrente, irá gerar mais fluxo

de elétrons. Como conseqüência, a vazão também aumentará, mostrando que o

aumento da produção de hidrogênio está relacionado com o aumento da corrente.

Através da integração da área da figura (utilizando o software Origin 6.0),

obteve a quantidade de eletricidade. Com a seguinte equação:

Q = I dt (4.1)

Tabela 4.3 – Comportamento da corrente e a quantidade de eletricidade gerada.

Corrente (A) Quantidade de

eletricidade (C)

13,50 5400,5 20,70 8285,8 29,05 11621,5 32,10 12842,2 35,04 14018,2 41,10 16442,9 42,50 17001,2 50,30 20120,1

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

34

A Figura 4.6 tem um comportamento diferente em relação às demais figuras

que representam as correntes do eletrolisador, visto que quando o reator produz uma

quantidade suficiente de hidrogênio, a pressão interna da máquina atinge a pressão de

calibragem do pressostato (1,5 kgf/cm2) automaticamente desliga-se o reator, para esta

figura não ocorre o desligamento da máquina, devido à produção de hidrogênio ser

consumida a mesma quantidade que foi produzida.

Esta Figura tem uma corrente de 13,5 A, com uma produção de 0,22 m3/h de

hidrogênio, durante o inicio do experimento ocorreu um aumento na corrente,

ocasionada por no momento em que quando liga a máquina aparece o surgimento das

primeiras bolhas de gás, que ficam retidas nas paredes do meio, assim há um aumento

da corrente para romper esta resistência. Logo após, a corrente tende a se estabilizar

produzindo assim o hidrogênio. A quantidade de eletricidade gerada para este

experimento foi de 5400,5 C, que produziu a vazão de 0,22 m3/h, a uma corrente média

de 13,5 A. O aumento da quantidade de eletricidade é proveniente do aumento da

corrente, aumentando assim a vazão do gás. Visto que, o aumento da corrente é um fator

limitante para a vazão do gás.

0 100 200 300 4000

3

6

9

12

15

18

Cor

rent

e(A)

Tempo(s) Figura 4.6 – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,22 m3/h de H2.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

35

A partir da Figura 4.7 até a Figura 4.12, é perceptível uma mudança no

comportamento do eletrolisador quando, nestes casos, a corrente de operação é superior

a 20 A. A partir desses valores da corrente nota-se, então, que o sistema passou a

desligar-se quando a pressão máxima de trabalho da máquina é atingida (1,5 kgf/cm2) e

só voltando a religar quando o gás produzido for consumido, e por conseqüência, atingir

a pressão de trabalho de 1,0 kgf/cm2.

A Figura 4.7.a mostra o comportamento da corrente de 20,7 A em função do

tempo para uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio, o primeiro ciclo de trabalho é

irregular devido à formação de bolhas dentro do reator impedindo a produção do gás. Os

dois ciclos consecutivos devem-se a uma diminuição da corrente, ou seja, um ajuste do

setup de corrente. A partir do quarto ciclo de trabalho, nota-se que o sistema entra em

regime permanente.

A quantidade de eletricidade para uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio foi

de 8285,8 C, o aumento da corrente gerou a necessidade de mais eletricidade para

produzir uma maior vazão.

0 100 200 300 4000

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

Tempo(s)

Cor

rent

e(A

)

Figura 4.7.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,35 m3/h.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

36

A Figura 4.7.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente de

20,7 A em função do tempo. Para a Figura 4.7.a. tem seu desempenho da seguinte

maneira, passa 19 segundos ligado produzindo gás, em seguida quando o pressostato

atinge seu ponto de trabalho, desliga o reator, passando assim 6 segundos desligado, até

o momento em que necessite produzir o gás novamente.

O tempo de produção do gás é de 19 segundos, que depende da corrente

aplicada, quanto maior a corrente, menor será o tempo de produção do gás. Já o tempo

de 6 segundos em que encontra-se desligado o reator, vai depender da quantidade de gás

que esta saindo pelo maçarico. Visto que, com o maçarico todo aberto o tempo de

desligamento será muito pequeno.

Para esta Figura, o maçarico encontrava-se com 80% de sua válvula aberta.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600

3

6

9

12

15

18

21

24

Tempo Desligado=6s

Tempo Ligado=19s Tempo Ligado=19s

Cor

rent

e(A)

Tempo(s)

Figura 4.7.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,35 m3/h.

A Figura 4.8.a representa o comportamento da corrente em função do tempo

para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio, operando com uma corrente de 29,05 A.

Como já foi observado na figura anterior, tem o mesmo processo de ligar e desligar. A

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

37

figura tem o primeiro ciclo um comportamento incomum aos demais ciclos, pois no

momento que em que liga o reator, ocorre a formação das primeiras bolhas de gás,

impedindo a formação do gás. Mas a partir do segundo ciclo em diante, o processo de

formação do gás ocorre de forma coerente por todo o experimento.

A quantidade de eletricidade para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio foi

de 11621,5 C, com o aumento da corrente para 29,05 A.

0 100 200 300 4000

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

Tempo(s)

Cor

rent

e(A)

Figura 4.8.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,51 m3/h de H2.

A Figura 4.8.b, analisa de forma detalhada o comportamento da corrente em

função do tempo para a uma corrente de 29,05 A. Para este sistema tem o seguinte

desempenho, na produção do gás à máquina passa 6 segundos ligado, em seguida

quando o pressostato atinge seu ponto de trabalho, desliga-se automaticamente,

passando 5 segundos desligado (com a válvula toda aberta), até o momento em que

necessite produzir o gás novamente. O tempo de produção de 6 segundos é inferior ao

da Figura 4.6.b, pois com o aumento da corrente, diminui o tempo de produção, devido

ser mais rápido a formação do gás.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

38

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 300

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

Tempo Desligado=5s

Tempo Ligado=6sTempo Ligado=6s

Cor

rent

e(A

)

Tempo(s)

Figura 4.8.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,51 m3/h de H2.

A Figura 4.9.a apresenta o comportamento da corrente em função do tempo

para uma vazão de 0,568 m3/h de hidrogênio, com uma corrente de 32,1 A. Tendo o seu

comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.

As Figuras anteriores têm em seu primeiro ciclo a formação de bolhas, e

nesta figura não a presença deste fenômeno, pois antes de iniciar este experimento já

tinham realizados outras bateladas. Todos os ciclos estão coerentes para o processo de

formação do gás.

O aumento da corrente para 32,1 A, foi responsável pelo o aumento da

quantidade de eletricidade de 12842,2 C, que elevou a vazão para 0,568 m3/h de

hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

39

0 100 200 300 4000

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

Cor

rent

e (A

)

Tempo (s)

Figura 4.9.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,568 m3/h de H2.

A Figura 4.9.b, analisa de forma detalhada o comportamento da corrente em

função do tempo a uma corrente de 32,1 A. Tendo o seguinte desempenho, na produção

do gás, à máquina passa 3 segundos ligado, em seguida quando o pressostato atinge seu

ponto de trabalho, desliga-se automaticamente, passando 13 segundos desligado, até o

momento em que necessite produzir o gás novamente.

Como a corrente aumentou, logo diminuiu o tempo de produção do gás,

fechou a válvula em cerca de 80%, aumentando assim, o tempo para ligar a máquina.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

40

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 390

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

Tempo Desligado=13s

Tempo de Ligamento=3sTempo de Ligamento=3s

Cor

rent

e(a)

Tempo(s)

Figura 4.9.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,568 m3/h de H2.

A Figura 4.10.a apresenta o comportamento da corrente em função do tempo

para uma vazão de 0,623 m3/h de hidrogênio, com uma corrente de 35,04 A. Tendo o

seu comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.

Como já havia realizados outros experimentos anterior, não ocorreu a

formação de bolhas. Foram realizados todos os manuseios de mudança de corrente e

abertura ou fechar a válvula do maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim

qualquer interferência na figura.

O aumento da corrente para 35,04 A, foi responsável pelo o aumento da

quantidade de eletricidade de 14018,2 C, que elevou a vazão para 0,623 m3/h de

hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

41

0 100 200 300 4000

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

39

Cor

rent

e (A

)

Tempo (s)

Figura 4.10.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,623 m3/h de H2.

A Figura 4.10.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente em

função do tempo.

Na produção do gás, à máquina passa 3 segundos ligado, em seguida quando

o pressostato atinge seu ponto de trabalho, desliga-se automaticamente, passando 8

segundos desligado, até o momento em que necessite produzir o gás novamente.

Como a corrente aumentou, logo diminuiu o tempo de produção do gás,

neste experimento deixou a válvula na metade.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

42

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 340

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

39

Tempo Desligado=8s

Tempo Ligado=3s Tempo Ligado=3s

Cor

rent

e(A)

Tempo(s)

Figura 4.10.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,623 m3/h de H2.

A Figura 4.11.a representa o comportamento da corrente em função do

tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de hidrogênio, com uma corrente de 41,1 A. Com

o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.

Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas, mas nos

primeiros 4 ciclos, foi realizado um manuseio na válvula do maçarico, pois a válvula

encontrava-se muito aberta, então fechou-se um pouco, diminuindo assim seu espaço de

desligamento.

Aumentou a corrente para 41,1 A, gerando o aumento da quantidade de

eletricidade de 16442,9 C, que elevou a vazão para 0,736 m3/h de hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

43

0 100 200 300 4000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Cor

rent

e(A)

Tempo(s)

Figura 4.11.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de H2

A Figura 4.11.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente em

função do tempo. Na produção do gás, à máquina passa 3 segundos ligado, em seguida

quando o pressostato atinge seu ponto de trabalho, desliga-se automaticamente,

passando 7 segundos desligado, até o momento em que necessite produzir o gás

novamente.

O tempo de produção do gás neste experimento permitiu a abertura da

válvula em 50%.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

44

0 4 8 12 16 20 24 280

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Tempo Desligado=7s

Tempo Ligado=3sTempo Ligado=3s

C

orre

nte(

A)

Tempo(s)

Figura 4.11.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de H2.

A Figura 4.12.a representa o comportamento da corrente em função do

tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de hidrogênio, com uma corrente de 42,5 A. Com

o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.

Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas. Foram

realizados todos os manuseios de mudança de corrente e abertura ou fechar a válvula do

maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim qualquer interferência na Figura.

Aumentou a corrente para 42,5 A, gerando o aumento da quantidade de

eletricidade de 17001,2 C, que elevou a vazão para 0,763 m3/h de hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

45

0 100 200 300 4000369

12151821242730333639424548

Cor

rent

e (A

)

Tempo (s)

Figura 4.12.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de H2.

A Figura 4.12.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente em

função do tempo. Na produção do gás, à máquina passa 2,5 segundos ligado, em

seguida quando o pressostato atinge seu ponto de trabalho, desliga-se automaticamente,

passando 8 segundos desligado, até o momento em que necessite produzir o gás

novamente.

Para este experimento fechou a válvula do maçarico um pouco menos da

metade, aumentando o tempo desligamento.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

46

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 300

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Tempo Desligado=8s

Tempo Ligado=2,5s Tempo Ligado=2,5s

Cor

rent

e(A)

Tempo(s)

Figura 4.12.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de H2.

A Figura 4.13.a representa o comportamento da corrente em função do

tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de hidrogênio, com uma corrente máxima de 50,3

A. Com o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da

máquina.

Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas. Foram

realizados todos os manuseios de mudança de corrente e abertura ou fechar a válvula do

maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim qualquer interferência na Figura.

Aumentou a corrente para 50,3 A, gerando o aumento da quantidade de

eletricidade de 20120,1 C, que elevou a vazão para 0,91 m3/h de hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

47

0 100 200 300 4000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Cor

rent

e(A)

Tempo(s)

Figura 4.13.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de H2.

A Figura 4.13.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente em

função do tempo. Na produção do gás, à máquina passa 2 segundos ligado, diminuindo

ainda mais o tempo de produção do gás, em seguida quando o pressostato atinge seu

ponto de trabalho, desliga-se automaticamente, passando 8 segundos desligado, até o

momento em que necessite produzir o gás novamente.

Para este experimento fechou a válvula do maçarico um pouco menos da

metade, aumentando o tempo de desligamento.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

48

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 300

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Tempo desligado=8s

Tempo Ligado=2sTempo Ligado=2s

Cor

rent

e(A)

Tempo(s)

Figura 4.13.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de H2.

Abaixo encontra-se a Tabela para formação dos gráficos da tensão do reator

eletrolítico.

Observa-se um aumento de tensão em todos os experimentos, mais é devido

a um ajuste de setup para aumentar a corrente e a tensão depende também do número de

células presentes no reator eletrolítico, que são de 47 células.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

49

Tabela 4.4 – Consumo de hidrogênio em relação à tensão do reator eletrolítico.

Figuras Tensão (V) Vazão do H2 (m3/h)

4.14 95,6 0,350 4.15 95,9 0,510 4.16 96,1 0,568 4.17 96,15 0,623 4.18 96,5 0,736 4.19 96,6 0,763 4.20 96,9 0,910

As Figuras de 4.14 a 4.20 apresentam o comportamento da tensão do reator

eletrolítico em função do tempo, para diversas vazões de hidrogênio. Visto que a tensão

do reator depende da quantidade de número de células que formam o reator eletrolítico e

um ajuste no setup para aumentar a corrente.

A partir da Figura 4.14 até 4.20 a máquina começa desligar e ligar,

significando que durante a realização dos experimentos a pressão atingiu a pressão de

calibragem da máquina.

Na Figura 4.14, observa-se o comportamento da tensão do reator eletrolítico

em função do tempo, para uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio. Nota-se também que o

descarregamento acontece de forma capacitiva, não chegando a zero, e sim, a um valor

mínimo de 26 A, para os ciclos. O reator tem uma faixa de aquecimento que varia de

30ºC a 60ºC. Para este experimento, a temperatura de aquecimento estava em torno de

50°C.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

50

0 100 200 300 40005

101520253035404550556065707580859095

100

Tempo(s)

Tens

ão(V

)

Figura 4.14 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,35 m3/h de H2.

A Figura 4.15 apresenta o comportamento da tensão do reator de 95,9 V, em

função do tempo, para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio. A corrente de descarga

chegou a 32 A, pois a temperatura do reator encontrava-se em torno de (50ºC).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

51

0 100 200 300 40005

101520253035404550556065707580859095

100

Tempo(s)

Tens

ão(V

)

Figura 4.15 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,51 m3/h de H2.

A Figura 4.16 apresenta o comportamento da tensão do reator de 96,1 V, em

função do tempo, para uma vazão de 0,568 m3/h de hidrogênio. A corrente de descarga

chegou a 10 A, pois a temperatura do reator encontrava-se na temperatura mínima (30ºC).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

52

0 100 200 300 40005

101520253035404550556065707580859095

100

Tens

ão (V

)

Tempo (s)

Figura 4.16 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,568 m3/h de H2.

A Figura 4.17 representa o comportamento da tensão do reator de 96,15 V, em

função do tempo, para uma vazão de 0,623 m3/h de hidrogênio. As correntes de descarga,

chegaram a 14 A, pois a temperatura do reator encontrava-se na temperatura mínima

(30ºC).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

53

0 100 200 300 40005

101520253035404550556065707580859095

100

Tens

ão (V

)

Tempo (s)

Figura 4.17 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,623 m3/h de H2.

A Figura 4.18 apresenta o comportamento da tensão do reator de 96,5 V, em

função do tempo, para uma vazão de 0,736 m3/h de hidrogênio. As demais correntes de

descarga, chegaram a 13 A, pois a temperatura do reator encontrava-se na temperatura

mínima (30ºC).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

54

0 100 200 300 40005

101520253035404550556065707580859095

100

Tens

ão(V

)

Tempo(s)

Figura 4.18 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de H2.

A Figura 4.19 apresenta o comportamento da tensão do reator de 96,6 V, em

função do tempo, para uma vazão de 0,763 m3/h de hidrogênio. Nos 40 segundos iniciais

da produção do hidrogênio, um dos fios desconectaram do reator provocando assim, um

erro de leitura. Após resolver o problema, os valores da tensão voltaram a ser

significativos.

As correntes de descarga, chegaram a 9 A, pois a temperatura do reator

encontrava-se na temperatura mínima (30ºC).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

55

0 100 200 300 40005

101520253035404550556065707580859095

100

Tens

ão (V

)

Tempo (s)

Figura 4.19 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de H2.

A Figura 4.20 representa o comportamento da tensão do reator de 96,9 V, em

função do tempo, para uma vazão de 0,91 m3/h de hidrogênio.

As demais correntes de descarga chegaram a 10 A, pois a temperatura do

reator encontrava-se na temperatura mínima (30ºC).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

56

0 20005

101520253035404550556065707580859095

100

400

Tens

ão(V

)

Tempo(s)

Figura 4.20 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de H2.

A Tabela 4.5 apresenta a potência do reator eletrolítico para diversas vazões

de hidrogênio.

Tabela 4.5 – Consumo de hidrogênio em relação à potência do reator eletrolítico.

Figuras Potência (kW) Vazão do H2 (m3/h)

4.21 1,27 0,220 4.22 1,98 0,350 4.23 2,78 0,510 4.24 3,08 0,568 4.25 3,37 0,623 4.26 3,97 0,736 4.27 4,10 0,763 4.28 4,87 0,910

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

57

As Figuras 4.21 a 4.28 apresentam a variação da produção de hidrogênio e o

consumo de energia em função do tempo, referente aos experimentos realizados.

A Figura 4.21 mostra o experimento em que uma potência de 1,27 kW

atingiu uma vazão de hidrogênio de 0,22 m3/h. Observa-se nas figuras seguintes que

com o aumento da vazão do gás, a o aumento da potência.

0 100 200 300 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Potê

ncia

(kW

)

Tempo(s)

Figura 4.21 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,22 m3/h de H2.

A Figura 4.22 mostra o comportamento da potência em função do tempo para

uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 1,98 kW.

O primeiro ciclo de trabalho irregular deve-se a formação de bolhas dentro do

reator impedindo a produção. Os dois ciclos consecutivos deve-se a uma diminuição da

corrente, ou seja, um ajuste do setup de corrente. A partir do quarto ciclo de trabalho,

nota-se que o sistema entra em regime constante de trabalho.

Os ciclos da Figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e

tensão.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

58

0 1 300 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

00 200

Tempo(s)

Potê

ncia

(kW

)

Figura 4.22 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,35 m3/h de H2.

A Figura 4.23 apresenta o comportamento da potência em função do tempo

para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 2,78 kW.

Como já foi observado na figura anterior, tem o mesmo processo de ligar e desligar. A

Figura tem o primeiro ciclo um comportamento incomum aos demais ciclos, pois no

momento que em que liga o reator, ocorre a formação das primeiras bolhas de gás,

impedindo a formação do gás. Mas a partir do segundo ciclo em diante, o processo de

formação do gás ocorre de forma coerente por todo o experimento.

Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e

tensão.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

59

0 100 200 300 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Tempo(s)

Potê

ncia

(kW

)

Figura 4.23 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,51 m3/h de H2.

A Figura 4.24 apresenta o comportamento da potência em função do tempo

para uma vazão de 0,568 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 3,08 kW.

Tendo o seu comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de

trabalho da máquina. As Figuras anteriores têm em seu primeiro ciclo a formação de

bolhas, e nesta figura não a presença deste fenômeno, pois antes de iniciar este

experimento já tinham realizados outras bateladas. Todos os ciclos estão coerentes para o

processo de formação do gás.

Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e

tensão.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

60

0 100 200 300 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Tempo (s)

Pot

ênci

a (k

W)

Figura 4.24 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,568 m3/h de H2.

A Figura 4.25 apresenta o comportamento da potência em função do tempo

para uma vazão de 0,623 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 3,37 kW.

Tendo o seu comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de

trabalho da máquina.

Como já havia realizados outros experimentos anteriores, não ocorreu à

formação de bolhas. Foram realizados todos os manuseios de mudança de corrente e

abertura ou fechar a válvula do maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim

qualquer interferência na figura.

Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente

tensão.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

61

0 100 200 300 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

Tempo (s)

Potê

ncia

(kW

) Figura 4.25 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,623 m3/h de H2.

A Figura 4.26 apresenta o comportamento da potência em função do tempo

para uma vazão de 0,736 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 3,97 kW.

Com o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho

da máquina.

Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas, mas nos

primeiros 4 ciclos, foi realizado um manuseio na válvula do maçarico, pois a válvula

encontrava-se muito aberta, então fechou-se um pouco, diminuindo assim seu espaço de

desligamento.

Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e

tensão.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

62

0 100 200 300 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

Po

tênc

ia(k

W)

Tempo(s)

Figura 4.26 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de H2.

A Figura 4.27 apresenta o comportamento da potência em função do tempo

para uma vazão de 0,763 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 4,10 kW.

Com o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho

da máquina. Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas. Foram

realizados todos os manuseios de mudança de corrente e abertura ou fechar a válvula do

maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim qualquer interferência na figura.

Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e

tensão.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

63

0 100 200 300 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

Pot

ênci

a (k

W)

Tempo (s)

Figura 4.27 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de H2.

A Figura 4.28 apresenta o comportamento da corrente em função do tempo

para uma vazão de 0,91 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 4,87 kW.

Com o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.

Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas. Foram realizados

todos os manuseios de mudança de corrente e abertura ou fechar a válvula do maçarico,

anterior ao experimento. Evitando assim qualquer interferência na figura.

Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e

tensão.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

64

0 100 200 300 4000,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

Potê

ncia

(kW

)

Tempo(s)

Figura 4.28 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de H2.

4.4 CÁLCULOS DA PRODUÇÃO DO HIDROGÊNIO UTILIZANDO COMO

FONTE DE ENERGIA A REDE ELÉTRICA

Para determinar a produção do gás foi montado um sistema experimental com

uma proveta e um recipiente de vidro no qual foi imerso o maçarico com saída de gás.

Com o tempo necessário para o esvaziamento da proveta para obteve as vazões de 0,33

m3/h a 1,37 m3/h de gás (O2 + H2).

A partir dos dados da Tabela 4.6 foi possível quantificar a produção de

hidrogênio obtida na reação da decomposição da água:

H2O(l) H2(g) + ½ O2(g) (4.2)

Assim foi visto que para cada mol de água são produzidos 1 mol de hidrogênio

e 0,5 mol de oxigênio. Para obter o valor da produção de hidrogênio foram realizados os

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

65

seguintes cálculos. A equação mostra que a vazão obtida é então igual a 1,5 vezes a

vazão do hidrogênio. Conseqüentemente, a vazão do hidrogênio é:

Vazão do hidrogênio = 1,37 m3/h vazão do gás (H2 + O2) / 1,5 = 0,91 m3/h de

hidrogênio.

De forma análoga foram realizados todos os cálculos para determinar a

produção de hidrogênio em cada experimento. Encontram-se presentes na tabela abaixo:

Tabela 4.6 – Vazão do hidrogênio.

Vazão do gás O2 + H2 (m3/h)

Vazão do H2 (m3/h)

0,330 0,220 0,530 0,350 0,770 0,510 0,850 0,568 0,935 0,623 1,104 0,736 1,144 0,763 1,370 0,910

4.5 CÁLCULO DA EFICIÊNCIA DAS CÉLULAS ELETROLITICAS PARA UM

REATOR UTILIZANDO ENERGIA ELÉTRICA.

As tensões aplicadas no reator eletrolítico foram de 94,4 a 96,9 V, obtidas

com a diferença de potencial aplicada sobre a quantidade do número de células presente

no reator, que são de 47 células, tendo assim em cada célula uma diferencia de potencial

de 2,00 a 2,06 Volts. Através da diferença de potencial aplicada, pode-se obter a

eficiência das células eletrolíticas, a Tabela 4.7 apresenta a relação da tensão aplicada

no reator, a tensão aplicada por célula e a eficiência das células.

A eficiência de uma célula eletrolítica em termos de tensão é dada por:

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

66

( ) 10047,1% ×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Vη (4.3)

Tabela 4.7 – Tensão aplicada ao reator, tensão em cada célula e eficiência das células.

Tensão(V) Tensão em cada célula(V)

Eficiência(%)

94,40 2,00 73,2 95,60 2,03 72,3 95,90 2,04 72,0 96,10 2,04 72,0 96,15 2,05 71,9 96,50 2,05 71,9 96,60 2,06 71,5 96,90 2,06 71,5

A tensão aplicada a cada célula foi de 2,00 a 2,06 volts, tendo assim uma

eficiência de 71,5 a 73,2%. Os valores das eficiências foram considerados satisfatórios,

quando comparados com células eletrolíticas industriais. As células eletrolíticas

industriais operam com uma diferença de potencial que varia de 1,70 a 2,10 volts, o que

corresponde a um rendimento de 70 a 86,5% (Memento de L’Hydrogène, 2002).

4.6 RELAÇÃO DA VAZÃO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO EM RELAÇÃO A

CORRENTE, TENSÃO, POTÊNCIA DO ELETROLISADOR E ENERGIA CONSUMIDA

UTILIZANDO ENERGIA ELÉTRICA CONVENCIONAL

A Tabela 4.8 apresenta a relação das variáveis relacionadas nas Figuras

abaixo, mostrando que com o aumento da vazão do gás, a necessidade do aumento da

corrente aplicada no reator eletrolítico, visto que a tensão é obtida a partir do número de

células do reator e o aumento no setup da máquina, tendo assim um aumento da potência

do reator e a energia necessária para produção do hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

67

Tabela 4.8 – Consumo de Hidrogênio em relação às variáveis Corrente, Tensão,

Potência elétrica do Reator Eletrolítico e Energia Consumida.

Corrente (A)

Tensão (V) Potência

(kW)

Energia

(kWh/ m3)

Vazão do

H2 (m3/h)

13,50 94,4 1,27 5,77 0,220 20,70 95,6 1,98 5,66 0,350 29,05 95,9 2,78 5,45 0,510 32,10 96,1 3,08 5,42 0,568 35,04 96,15 3,37 5,41 0,623 41,10 96,5 3,97 5,39 0,736 42,50 96,6 4,10 5,37 0,763 50,30 96,9 4,87 5,35 0,910

A Figura 4.29 apresenta uma variação média da corrente elétrica em função da

produção de hidrogênio, mostrando que com o aumento da corrente elétrica a o aumento

da vazão do gás.

A produção de hidrogênio é proporcional à corrente que passa através de uma

célula eletrolítica, tem a seguinte reação para demonstrar o aumento da corrente em

relação ao aumento da vazão do gás, a equação 2.4.

2H2O(l) + 2é - H2(g) + 2OH-(aq) (4.4)

Para uma corrente de 13,5 A tem uma vazão de 0,22 m3/h de hidrogênio, e a

medida que aumenta a vazão do gás para 0,91 m3/h de hidrogênio a o aumento

significativo da corrente para 50,3 A.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

68

Y=1,9125+53,203*X R=0,9999

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Cor

rent

e(A)

Vazão do hidrogênio(m3/h)

Figura 4.29 - Comportamento da corrente do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.

A Figura 4.30 apresenta o comportamento da tensão do reator em função da

produção de hidrogênio, nota-se que ocorreu uma variação nas tensões do reator, que

depende da quantidade de células presentes no reator eletrolítico e um aumento do setup

da máquina. Variando a tensão de 94,4 V a 96,9 V em todos os experimentos realizados

com vazões de hidrogênio que de 0, a 0,91 m3/h.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

69

92

94

96

98

100

90

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,080

82

84

86

88

Tens

ão(V

)

Vazão do hidrogênio(m3/h)

Figura 4.30 – Comportamento da tensão do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.

A Figura 4.31 apresenta a variação da potência do reator eletrolítico em

função da produção de hidrogênio. Ocorre um aumento da potência em relação à vazão

do hidrogênio. Observa-se que a potência elétrica aumenta linearmente com a vazão do

gás, mostrando que o aumento da corrente é fundamental para o aumento da potência.

Para uma potência de 1,27 kW tem uma vazão de 0,22 m3/h, e com o aumento

da vazão para 0,91 m3/h é necessário um aumento da potência para 4,87 kW, maior

potência atingida nos experimentos.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

70

Y=0,13576+5,1996*X R=0,9999

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

Vazão do hidrogênio(m3/h)

Potê

ncia

(kW

)

Figura 4.31 – Comportamento da potência do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.

A energia consumida por metro cúbico de hidrogênio é a relação entre a

potência e a vazão do gás, mostrado na Figura 4.32. O valor da energia diminui a medida

que a potência aumenta, a vazão também aumenta mais significativamente que a da

potência, diminuindo assim a relação da potência versus vazão do gás.

Observa-se que os valores de energia mais próximos do valor teórico foram os

seguintes: As energias de 5,39 kWh/m3 há uma vazão de 0,736 m3/h e 5,37 kWh/m3 há

uma vazão de 0,763 m3/h, representam 51% a mais de energia consumida. E a energia que

ficou mais próxima da teórica foi a de 5,35 kWh/m3, com 50% de energia consumida a

mais que a teórica. As demais energias representam valores acima de 52% de energia

consumida quando comparada com a energia teórica.

Teoricamente para produzir 1 m3 de H2 (0,5 m3 de O2) são necessários 806,3g

de H2O e 730,4 kJ de energia, ou seja, 3,55 kWh/m3 de hidrogênio (Pereira, 2005).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

71

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,05,0

5,2

5,4

5,6

5,8

6,0

Vazão do hidrogênio(m3/h)

Ener

gia(

kWh/

m3 )

Figura 4.32 – Comportamento da energia consumida no reator em função de diversas vazões de hidrogênio.

4.7 PROJETO DE UM SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA

SOLAR PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO ELETROLÍTICO

De posse dos dados obtidos através do consumo energético do eletrolisador,

poderá ser projetado um sistema de fornecimento de energia solar, ou seja, definir o

número de painéis fotovoltaicos necessários ao melhor desempenho do eletrolisador.

Várias configurações de painéis são possíveis, painéis em série e/ou paralelos.

Na Tabela 4.9 foram colocados faixas de corrente e de vazões, além da

tensão do reator eletrolítico, dados necessários para determinação do melhor arranjo dos

painéis.

Os cálculos para elaboração da quantidade necessária de painéis

fotovoltaicos foram baseados nas seguintes especificações: o painel fornece uma tensão

de 12 V e uma corrente máxima de 7 A, no entanto tem-se uma perda de carga de 20%

sobre a corrente, dessa forma os cálculos foram realizados para uma corrente de 5 A.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

72

Para uma corrente de até 13,50 A, com uma tensão de 94,4 V, são

necessários 24 painéis, com 8 painéis em série e 3 conjuntos de painéis em paralelos,

fornecendo no máximo 0,22 m3/h de hidrogênio para este tipo de reator eletrolítico. A

vazão por unidade de painel para este experimento foi de 0,009.

Tabela 4.9 – Valores de corrente, tensão do reator eletrolítico e o número de painéis

necessários para fornecer energia.

Corrente

Máxima

(A)

Tensão

(V)

Número

de

Painéis

em Série

Número de

Painéis em

Paralelo

Número

Total de

Painéis

Solares

Vazão

do H2

(m3/h)

Vazão /painel

(m3/h/

unidade de

painel)

13,50 94,4 8 3 24 0,220 0,009 20,70 95,6 8 4 32 0,350 0,011 29,05 95,9 8 6 48 0,510 0,011 32,10 96,1 8 7 56 0,568 0,011 35,04 96,15 8 7 56 0,623 0,011 41,10 96,5 8 9 64 0,736 0,011 42,50 96,6 8 9 64 0,763 0,012 50,30 96,9 8 10 80 0,910 0,011

Para uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio, uma corrente de 20,70 A, são

necessários 8 painéis em série e 4 conjuntos de painéis em paralelo, totalizando 32

painéis e uma vazão por unidade de painel de 0,011 m3/h.

Com 48 painéis, 8 painéis em série e 6 conjuntos de painéis em paralelo, de

corrente de 29,05 A e 95,9 V de tensão para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio. Já

com 56 painéis, 8 painéis em série e 7 conjuntos de painéis em paralelo, pode fornecer

vazões que variam de 0,568 a 0,623 m3/h de hidrogênio, com correntes de 32,1 e 35,04

A e vazões por unidade de painel 0,011 e 0,011 m3/h respectivamente.

Com 64 painéis, 8 painéis em série e 9 conjuntos de painéis em paralelo,

atende a uma faixa de corrente de 41,1 a 42,5 A , com vazões respectivas de 0,736 a

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

73

0,763 m3/h de hidrogênio e vazões por unidade de painel de 0,011 e 0,012 m3/h

respectivamente.

Sabendo-se que para a máxima corrente aplicada ao reator eletrolítico (50,3

A), o sistema fornece uma vazão de até 0,91 m3/h de hidrogênio; necessitando de 80

painéis, 8 painéis em série para atender aos 96,9 V e 10 conjuntos de painéis em

paralelo para uma vazão de 0,011 m3/h por unidade de painel.

Apesar da faixa de corrente de 50,3 A está próximo do consumo de energia

teórico de produção de hidrogênio, não se enquadram no funcionamento ideal do reator,

pois quando o reator atinge uma corrente acima de 45 A, até sua corrente máxima de

trabalho (50 A), a produção de hidrogênio é descoordenada, saindo gás e gotículas

minúsculas de substância liquida (que pode ser devido a um arraste de benzina, álcool

ou a condensação de vapor de água) pelo maçarico.

Para fornecer uma quantidade maior de gás, é necessário o aumento da

corrente, para o aumenta da corrente o sistema necessita de um maior conjunto de

painéis fotovoltaicos associados em paralelo.

A quantidade de painéis ideal para o sistema são de 64 painéis fornecendo

corrente entre 42,50 A, produzindo hidrogênio de 0,763 m3/h, com uma vazão máxima

de 0,012 m3/h por unidade de painel.

4.8 COMPORTAMENTO DA TENSÃO, CORRENTE E POTÊNCIA DO

REATOR ELETROLÍTICO UTILIZANDO PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

COMO FONTE DE ENERGIA

Os resultados obtidos nesta etapa foram avaliados e discutidos, quanto ao

comportamento da corrente, tensão e potência do reator eletrolítico em função do tempo

para diversas vazões de produção do hidrogênio, utilizando energia solar com diferentes

configurações de painéis fotovoltaicos em série.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

74

A Figura 4.33 apresenta o comportamento da tensão do reator eletrolítico em

função do tempo, para um sistema de fornecimento de energia solar acoplado a um reator

eletrolítico.

A tensão necessária para o funcionamento do reator vai depender do número

de células em série que compõe o reator eletrolítico, sendo o reator composto de 47

células em série, que fornece no máximo 2,04 volts por célula e gera uma tensão de até

96 volts no reator eletrolítico. A tensão é fornecida por painéis solares

convenientemente associados em série que dependem da tensão nominal de cada painel

e da incidência solar de momento sobre os painéis fotovoltaicos.

Os arranjos de painéis solares montados para alimentar o eletrolisador com

energia solar foram os seguintes: 6 painéis em série, 9 painéis em série, 12 painéis em

série, 15 painéis em série e 21 painéis em série. O número de painéis escolhidos para

cada experimento foi devido a disposição em que encontravam-se presente, com o

mínimo de 6 painéis e o máximo de 21 painéis solares disponíveis para realizar o

experimento.

A Tabela 4.10 apresenta a relação da tensão do reator em função do tempo

para diversas configurações de painéis solares em série.

Tabela 4.10 – Valores da tensão do reator em função do tempo para diversas

configurações de painéis.

Tensão(V) 82,8 88,0 89,7 90,0 93,9

Painéis 6 9 12 15 21

A Figura 4.33 apresenta o comportamento da tensão em função do tempo

com o aumento do número de painéis fotovoltaicos. Pode observar que para um arranjo

de 6 painéis em série foi fornecido uma tensão de 82,8 volts ao reator, com 21 painéis a

tensão atingiu 93,9 volts, com o aumento da quantidade de painéis solares há o aumento

da tensão que alimenta o reator eletrolítico e a incidência solar é fundamental para o

aumento da voltagem em cada arranjo de painéis.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

75

2,0 2,5 3,0 3,5 4,080

82

84

86

88

90

92

94

96

6 Painéis 9 Painéis 12 Painéis 15 Painéis 21 Painéis

Tens

ão(V

)

Tempo(min)

Figura 4.33 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para diversas configuração de painéis solares em série.

A Figura 4.34 apresenta o comportamento da corrente elétrica do reator

eletrolítico em função do tempo, para um sistema de fornecimento de energia solar

acoplado a um reator eletrolítico. A Tabela 4.11 apresenta a relação da corrente em

função do tempo para diversas configurações de painéis solares em série.

Tabela 4.11 – Valores de corrente em função do tempo para diversas configurações de

painéis.

Corrente(A) 1,1 3,4 4,3 4,49 5,6

Painéis 6 9 12 15 21

Na Figura 4.34, o reator eletrolítico foi avaliado para diversas configurações

de painéis solares, a corrente varia de acordo com o sistema montado. Para a

configuração com 6 painéis em série a corrente obtida foi de 1,1 A, com o acréscimo de

painéis solares para um arranjo de 21 painéis em série, a corrente atingiu 5,6 A e o

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

76

aumento de corrente em relação a quantidade de painéis em série é devido ao aumento

da tensão gerada pelo acréscimo de painéis fotovoltaicos.

2,0 2,5 3,0 3,5 4,00,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

Figura 4.34 – Comportamento da corrente elétrica do reator eletrolítico em função do tempo para diversas configurações de painéis solares em série.

A Figura 4.35 apresenta o comportamento da potência do reator eletrolítico

em função do tempo, para um sistema de fornecimento de energia solar acoplado a um

reator eletrolítico. A Tabela 4.12 apresenta a relação da potência do reator em função do

tempo para diversas configurações de painéis solares em série.

Tabela 4.12 – Valores da potência do reator em função do tempo para diversas

configurações de painéis.

Potência(W) 91,0 299,2 385,7 404,1 525,8

Painéis 6 9 12 15 21

Cor

rent

e(A

)

Tempo(min)

6 Painéis 9 Painéis 12 Painéis 15 Painéis 21 Painéis

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

77

Através da tensão e corrente, obtém os valores da potência do reator

eletrolítico, a Figura 4.35 apresenta a potência que variou de 91,0 W a 525,8 W, para

diversos arranjos de painéis solares (6 painéis a 21 painéis solares). O acréscimo de

painéis solares aumenta a tensão e corrente, sendo responsável pelo aumento da

potência do reator eletrolítico.

2,0 2,5 3,0 3,5 4,00

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

6 Painéis 9 Painéis 12 Painéis 15 Painéis 21 Painéis

Pot

ênci

a(W

)

Tempo(min)

Figura 4.35 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para diversas configuração de painéis solares em série.

4.9 CÁLCULO DA EFICIÊNCIA DAS CÉLULAS ELETROLITICAS PARA UM

REATOR UTILIZANDO ENERGIA SOLAR.

As tensões aplicadas no reator eletrolítico foram de 82,8 a 93.9 V, obtidas

com a diferença de potencial aplicada sobre a quantidade do número de células presente

no reator, que são de 47 células, tendo assim em cada célula uma diferencia de potencial

de 1,76 a 1,99 Volts. Através da diferença de potencial aplicada, pode-se obter a

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

78

eficiência das células eletrolíticas, a Tabela 4.13 apresenta a relação da tensão aplicada

no reator, a tensão aplicada por célula e a eficiência das células.

A eficiência de uma célula eletrolítica em termos de tensão é dada por:

( ) 10047,1% ×⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

Vη (4.5)

Tabela 4.13 – Tensão aplicada ao reator, tensão em cada célula e eficiência das células.

Tensão(V) Tensão em cada célula(V)

Eficiência(%)

82,8 1,76 V 83,5 88,0 1,87 V 78,6 89,7 1,91 V 76,9 90,0 1,91 V 76,9 93,9 1,99 V 73,9

A tensão aplicada a cada célula foi de 1,76 a 1,99 volts, tendo assim uma

eficiência de 73,9 a 83,5%. Os valores das eficiências foram considerados satisfatórios,

quando comparados com células eletrolíticas industriais. As células eletrolíticas

industriais operam com uma diferença de potencial que varia de 1,70 a 2,10 volts, o que

corresponde a um rendimento de 70 a 86,5% (Memento de L’Hydrogène, 2002).

4.10 MEDIÇÃO DA VAZÃO DOS GASES OXIGÊNIO E HIDROGÊNIO

UTILIZANDO COMO FONTE DE ENERGIA PAINÉIS FOTOVOLTAICOS.

Para determinar a produção do gás foi montado um sistema com uma proveta e

um recipiente de vidro no qual foi imerso o maçarico com saída de gás. Os dados

apresentados na Tabela 4.14 referem-se à curva de calibração das vazões em função da

corrente. Cada ponto na Figura representa a média de três repetições realizadas para cada

valor de corrente e tempo de esvaziamento da proveta. A Figura 4.36 apresenta a curva de

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

79

calibração das vazões em função da corrente, o aumento da vazão do gás é proporcional

ao aumento da corrente.

Tabela 4.14 – Valores experimentais da curva de calibração das vazões em função da

corrente.

Corrente(A) 0 1,1 3,4 4,3 4,49 5,6

Tempo(s) 0 214 71 46 35 54

Volume (L) 0 0,5 1 1 1 2

Vazão(L/min) 0 0,14 0,85 1,3 1,7 2,25

2,0

2,5

1,5

0 1 2 3 4 5 6 70,0

0,5

1,0

Vazã

o(L/

min

)

Corrente(A)

Figura 4.36 – Curva de calibração da vazão em função da corrente.

4.11 CÁLCULOS DA PRODUÇÃO DO HIDROGÊNIO UTILIZANDO COMO

FONTE DE ENERGIA OS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

A partir dos dados da Tabela 4.15 foi possível quantificar a produção de hidrogênio obtida

na reação da decomposição da água:

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

80

H2O(l) H2(g) + ½ O2(g) (4.6)

Assim foi visto que para cada mol de água são produzidos 1 mol de

hidrogênio e 0,5 mol de oxigênio. A equação mostra que a vazão é igual à 1,5 vezes a

vazão do hidrogênio. Conseqüentemente, a vazão do hidrogênio é:

Vazão do hidrogênio = 2,25 L/min vazão do gás (H2 + O2) / 1,5 = 1,50 L/min

de hidrogênio.

De forma análoga foram realizados todos os cálculos para determinar a

produção de hidrogênio em cada experimento, encontram-se presentes na Tabela 4.15.

Tabela 4.15 – Vazão do hidrogênio.

Vazão do gás O2 + H2 (L/min)

Vazão do H2 (L/min)

0,14 0,093 0,86 0,57 1,30 0,87 1,69 1,13 2,25 1,50

4.12 RELAÇÃO DA VAZÃO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO EM

RELAÇÃO A CORRENTE, TENSÃO, POTÊNCIA DO ELETROLISADOR E

ENERGIA CONSUMIDA UTILIZANDO ENERGIA SOLAR.

A Tabela 4.16 apresenta a relação das variáveis relacionadas nas figuras

abaixo, mostrando que com o aumento da vazão do gás, a necessidade do aumento da

corrente aplicada no reator eletrolítico, visto que a tensão é obtida a partir da irradiação

solar e o número de células do reator, tendo assim um aumento da potência do reator, que

é a energia necessária para produção do hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

81

Tabela 4.16 – Consumo de Hidrogênio em relação às variáveis Corrente, Tensão,

Potência elétrica do Reator Eletrolítico e Energia Consumida.

Corrente (A) Tensão (V) Potência

(kW)

Vazão do

H2 (m3/h)

Energia

(kWh/ m3)

Vazão

do H2

(L/min)

1,1 82,8 0,091 0,0056 16,25 0,093 3,4 88,0 0,299 0,034 8,79 0,57 4,3 89,7 0,3857 0,052 7,41 0,87 4,49 90,0 0,4041 0,068 5,94 1,13 5,6 93,9 0,5258 0,090 5,84 1,50

A Figura 4.37 apresenta a variação da corrente elétrica em função da produção

de hidrogênio, evidenciando que com o aumento da corrente elétrica ocorre o aumento da

produção do hidrogênio.

A produção de hidrogênio é proporcional à corrente que passa através de uma

célula eletrolítica. A seguinte reação demonstra o aumento da corrente em relação ao

aumento da vazão do gás.

2H2O(l) + 2é - H2(g) + 2OH-(aq) (4.7)

Para uma corrente de 1,1 A tem-se uma vazão de 0,093 L/min de hidrogênio, e

a medida que aumenta a vazão do gás para 1,50 L/min de hidrogênio ocorre o aumento

significativo da corrente para 5,6 A.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

82

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

Y = 1,2270 + 3,0638 * XR = 0,97305

Cor

rent

e(A)

Vazão do hidrogênio(L/min)

Figura 4.37 - Comportamento da corrente do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.

A Figura 4.38 apresenta o comportamento da tensão do reator em função da

produção de hidrogênio, nota-se o aumento da tensão do reator depende da quantidade de

células presentes no reator eletrolítico, número de painéis ligados em série e irradiação

solar. Com o aumento na tensão gera um aumento da corrente, que por conseqüência

produz uma maior vazão de hidrogênio. A tensão varia de 82,8 a 93,9 V, a uma vazão de

0,093 e 1,50 L/min de hidrogênio.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

83

0,0 0,5 1,0 1,5 2,005

101520253035404550556065707580859095

Te

nsão

(V)

Vazão(L/min)

Figura 4.38 – Comportamento da tensão do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.

A Figura 4.39 apresenta a variação da potência do reator eletrolítico em

função da produção de hidrogênio. Ocorre um aumento da potência em relação à vazão

do hidrogênio. Observa-se que a potência elétrica aumenta linearmente com a vazão do

gás, mostrando que o aumento da corrente e da tensão é fundamental para o aumento da

potência.

Para uma potência de 91,0 kW tem uma vazão de 0,093 L/min, e com o

aumento da vazão para 1,50 L/min é necessário um aumento da potência para 525,8 W,

maior potência atingida nos experimentos.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

84

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Y = 95,5173 + 295,0309 * XR = 0,9798

Potê

ncia

(W)

Vazão do hidrogênio(L/min)

Figura 4.39 – Comportamento da potência do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.

A energia consumida por metro cúbico de hidrogênio é a relação entre a

potência e a vazão do gás, apresentado na Figura 4.40. O valor da energia diminui,

porque a medida que a potência aumenta, também a vazão aumenta, visto que a vazão

aumenta significativamente em relação a potência, diminuindo assim a relação da

potência versus vazão do gás.

Observando-se o comportamento da variação do consumo de energia em função

da vazão, nota-se que, para a energia de 5,94 kWh/m3 há uma vazão de 1,13 L/min e para

5,84 kWh/m3 há uma vazão de 1,50 L/min, as energias encontram-se próximo da faixa do

consumo de 3,55 kWh/m3, valor teórico para a produção de hidrogênio. Estão destacadas

na Figura 4.40 as energias que estão próximas da faixa de consumo teórico.

Teoricamente para produzir 1 m3 de H2 (0,5 m3 de O2) são necessários 806,3g

de H2O e 730,4 kJ de energia, ou seja, 3,55 kWh/m3 de hidrogênio (Pereira, 2005).

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

85

Figura 4.40 – Comportamento da energia consumida no reator em função de diversas vazões de hidrogênio.

4.13 SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA SOLAR PARA A

PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO ELETROLÍTICO

De posse dos dados obtidos através da corrente, tensão e o número de painéis

utilizados para a produção de hidrogênio, foram avaliados a energia consumida e a vazão

de hidrogênio por unidade de painel.

Na Tabela 4.17 foram colocados os valores de corrente, tensão, número de

painéis em série utilizados no experimento, energia consumida, a vazão de hidrogênio

produzida e a vazão por unidade de painel solar.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,00123456789

1011121314151617181920

Ener

gia(

kWh/

m3 )

Vazão do hidrogênio(L/min)

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

86

Tabela 4.17 – Valores de corrente, tensão do reator eletrolítico, energia consumida e o

número de painéis necessários para fornecer energia.

Corrente

(A)

Tensão

(V)

Números de

Painéis em

Série

Energia (kWh/m3)

Vazão do

H2 (L/min)

Vazão/painel

(L/min/unid)

1,1 82,8 6 16,25 0,093 0,0155 3,4 88,0 9 8,79 0,57 0,060 4,3 89,7 12 7,41 0,87 0,073 4,49 90,0 15 5,94 1,13 0,075 5,6 93,9 21 5,84 1,50 0,071

Para uma corrente de 1,1 A com uma tensão gerada de 82,8 V, fornecido por

6 painéis fotovoltaicos produziu 0,093 L/min de hidrogênio e consumiu uma energia de

16,25 kWh/m3, produzindo uma vazão de 0,0155 L/min por unidade de painel solar.

Para este resultado precisam de um elevado consumo de energia para produzir uma

vazão desprezível, valores obtidos num dia de insolação baixa.

Para produzir uma vazão de 0,57 L/min a uma corrente de 3,4 A e 88,0 volts,

foram necessários 9 painéis, que consumiram uma energia de 8,79 kWh/m3 e

produziram uma vazão de 0,060 L/min por unidade de painel fotovoltaico. Para um dia

nublado utilizou-se o mínimo de 9 painéis solares que produziram hidrogênio com uma

vazão significativa de 0,57 L/min.

Para uma corrente de 4,3 A com uma tensão gerada de 89,7 V, fornecido por

12 painéis fotovoltaicos produziu-se 0,87 L/min de hidrogênio e consumiu-se uma

energia de 7,41 kWh/m3, produzindo uma vazão de 0,073 L/min por unidade de painel

solar. Esses valores foram obtidos num dia de insolação baixa.

Para produzir uma vazão de 1,13 L/min a uma corrente de 4,49 A e 90,0

volts, foram necessários 15 painéis, que consumiram uma energia de 5,94 kWh/m3

(valor este próximo do valor teórico de produção de hidrogênio) e produziram uma

vazão máxima dentre as configurações de painéis em série de 0,075 L/min por unidade

de painel fotovoltaico. Esses valores foram obtidos num dia de insolação baixa.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

87

A Figura 4.41 apresenta o comportamento da vazão por unidade de painel em

função ao número de painéis solares ligados em série, que foram testados no reator

eletrolítico. É possível observar que a vazão por unidade de painel aumenta com o

acréscimo de painéis solares até uma configuração de 15 painéis, ponto em que atinge a

máxima vazão de 0,075 m3/h por unidade de painel.

Quando são adicionados mais painéis em série ligados aos 15 painéis solares,

diminui o rendimento da vazão por cada painel, visto que a vazão já não aumenta tão

significativamente com o aumento de painéis. Logo, o ponto ótimo de painéis solares para

este eletrolisador são 15 painéis em série.

0,06

0,07

0,08

0,05 Figura 4.41: Comportamento da vazão por unidade de painel em função do número

de painéis solares.

Apesar do arranjo de 21 painéis consumirem uma energia 5,84 kWh/m3,

valor este próximo do valor teórico de produção de hidrogênio e a uma corrente de 5,6

A e tensão de 93,9 volts, não se enquadram no funcionamento ideal do reator, por

diminuir a vazão em relação a cada unidade de painel solar, elevando os custos com

painéis fotovoltaicos.

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 220,01

0,02

0,03

0,04

Vaz

ão /

Pai

nel S

olar

Painéis Solares

21 Painéis Solares 15 Painéis Solares

9 Painéis Solares 6 Painéis Solares

12 Painéis Solares

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

88

4.14 COMPORTAMENTO DO ELETROLISADOR EM FUNÇÃO DA

TENSÃO E CORRENTE DO REATOR ELETROLÍTICO

O eletrolisador bipolar é formado por um conjunto de células eletrolíticas

ligadas em série, que aumenta a tensão do reator com o aumento da quantidade de

células e a incidência solar. O eletrolisador em estudo é composto de 47 células em

série.

A configuração do eletrolisador requer baixas amperagens e altas voltagens

devido ao número de células conectadas em série. Assim, os painéis solares foram

montados em diversas configurações:

• 6 painéis solares em série;

• 9 painéis solares em série;

• 12 painéis solares em série;

• 15 painéis solares em série;

• 18 painéis solares em série;

• 21 painéis solares em série.

Os painéis solares foram ligados diretamente ao eletrolisador, no entanto a

corrente e a tensão não atingiram seus picos, devido a presença de nuvens e a ausência

de baterias para suprir a queda de energia nos momentos de baixa irradiação solar.

A Tabela 4.18 representa a corrente e tensão, valores fornecidos pelos

painéis fotovoltaicos.

Tabela 4.18 – Valores de corrente e tensão, fornecidos por painéis solares.

Corrente (A) Tensão(V) Quantidade

de Painéis

1,1 82,8 6 2,25 86,7 9 3,5 89,2 12 4,49 90 15 6,6 93,9 18 7,5 94,2 21

João Sales de Souza Filho

Capítulo 4 – Resultados e Discussões

89

74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 1000,00,51,01,52,02,53,03,5

4,4,

050

5,56,06,57,07,58,0

5,C

orre

nte(

A)

Tensão(V)

Figura 4.42 – Comportamento da corrente versus a tensão do eletrolisador.

A Figura 4.42 mostra o comportamento da corrente versus tensão, no qual

observa-se um aumento na tensão que gera um aumento na corrente. A partir de 82,8 V,

ocorre a formação das primeiras bolhas dos gases nas cavidades do reator, onde haverá

produção de hidrogênio. Assim, com a configuração de 6 painéis em série obtém o inicio

da formação das primeiras bolhas dos gases.

Pode ser observado que a partir de uma configuração de 6 painéis solares em

série, ocorre uma produção mínima de hidrogênio a uma tensão acima de 82,8 V.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 5 – Conclusões 90

5. CONCLUSÕES

De acordo com o estudo realizado durante o trabalho de um sistema de

produção de hidrogênio eletrolítica utilizando energia elétrica, foram obtidas as

seguintes conclusões:

• Para o sistema funcionando com energia elétrica, o aumento da corrente

vai depender da tensão, a voltagem aumenta com um ajuste no setup da

máquina. Os valores da potência vão aumentar com a tensão e corrente.

O aumento da produção de hidrogênio é proporcional ao fluxo de

elétrons que passa através de uma célula eletrolítica.

• A energia é consumida em relação a potência com o volume de

hidrogênio produzido em metros cúbicos, os valores da energia

diminuem com o aumento da vazão do hidrogênio, isso ocorre devido ao

aumento significativo da vazão em relação à potência. Logo as energias

de 5,39 kWh/m3, 5,37 kWh/m3 e 5,35 kWh/m3 referentes às correntes de

41,10, 42,50 e 50,30 A respectivamente. Porém para uma corrente

superior a 45 A o sistema não tem seu funcionamento adequado para a

produção do hidrogênio, devido sair do maçarico gás e gotículas

minúsculas de substâncias liquidas.

• O sistema tem seu funcionamento ótimo em 42,5 A, a uma voltagem de

96,6 V e energia consumida de 5,37 kWh/m3 para 64 painéis. As

quantidades superiores a 64 painéis apenas elevam os custos, pois com 64

painéis atingiria a maior vazão de 0,012 m3/h por unidade de painel.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 5 – Conclusões 91

Para um estudo realizado de um sistema de produção de hidrogênio

eletrolítica utilizando energia solar, foram obtidas as seguintes conclusões:

• O aumento da corrente vai depender da tensão, a voltagem aumenta

com o acréscimo de painéis fotovoltaicos em série e a incidência solar

sobre os painéis. Os valores da potência vão aumentar com a tensão e

corrente. O aumento da produção de hidrogênio é proporcional ao fluxo

de elétrons que passa através de uma célula eletrolítica.

• Os valores da energia diminuem com o aumento da vazão do hidrogênio,

isso ocorre devido ao aumento significativo da vazão em relação à

potência. Logo as energias de 5,94 kWh/m3 e 5,84 kWh/m3 referentes as

configurações de 15 e 21 painéis solares respectivamente.

• Com uma voltagem aplicada ao sistema de 82,8 V, com 6 painéis em série

há produção mínima de hidrogênio, com uma tensão de 88,0 V, gerada por

9 painéis em série ocorre a produção de hidrogênio significativa, mas a

partir de 93,9 V gerados de 15 painéis em série o eletrolisador bipolar

fornece sua maior produção de 0,075 L/min de hidrogênio por unidade de

painel fotovoltaico.

• No comportamento do eletrolisador em função da corrente versus

tensão, pode observar um aumento da tensão que gera um aumento na

corrente. A partir de 82,8 V, começa a formação das primeiras bolhas do

gás, utilizando o mínimo de 6 painéis em série.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 6 – Perspectivas

92

6. PERSPECTIVAS

Perspectivas para futuros trabalhos:

• Montar e testar um eletrolisador constituído de 6 células eletrolíticas

com a produção separada do H2 e do O2.

• Acoplar o eletrolisador e testar o sistema de fornecimento de energia

solar projetado, isto é, o número de painéis fotovoltaicos e de baterias

necessárias ao melhor desempenho do eletrolisador;

• Estimar o custo do hidrogênio eletrolítico obtido da fonte de energia

solar.

João Sales de Souza Filho

Capítulo 7 – Referências Bibliográficas

93

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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